Журнал «Автономная энергетика», № 29, 2011

Журнал
НАУЧНОПРОИЗВОДСТВЕННОГО
ПРЕДПРИЯТИЯ
“ КВАНТ “
29
2011
ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС И ЭКОНОМИКА
В НОМЕРЕ:
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Плеханов С.И., Тереков А.Я. ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ . . . 3
Авилов В.З., Зайцев О.Б., Копылов А.П., Осипов-Ивановский П.Ф., Сгибнев И.В., Ханин Е.В.
НАДЕЖНОСТЬ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНДИЦИОНЕРА . . . . . . . . . . . . . 8
ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Летин В.А. , Гаценко Л.С., Маслякова Н.Е. ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА
МАТЕРИАЛЫ
СОЛНЕЧНЫХ
БАТАРЕЙ
НИЗКООРБИТАЛЬНЫХ
КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Гаценко Л.С., Маслякова Н.Е., Каган М.Б., Новиков Л.С., Самохина М.С. ВОЗДЕЙСТВИЕ
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ НА ЗАЩИТНЫЕ СТЕКЛА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ И
ТРЕХПЕРЕХОДНЫЕ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ГЕТЕРОНАНОСТРУКТУРОЙ . . . . . 24
ПРОБЛЕМЫ, ПОИСКИ, РЕШЕНИЯ
Оршанский И.С. ПРОБЛЕМЫ УСПЕХИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФОТОЭНЕРГЕТИКИ 37
1
ISSN 0868-8605
Автономная энергетика:
технический прогресс и экономика
№ 29, 2011 г.
Главный редактор
▼
C.И. Плеханов
Редакционная коллегия:
▼
С.К. Бычковский, к.т.н.
М.Б. Каган, д.т.н.
В.А. Ковалёв
М.П. Кондрашова
(заместитель главного редактора)
А.Ф. Милованов, к.ф-м.н.
М.Г. Мительман, д.т.н.
Б.В. Спорышев, к.т.н.
Е.А. Тейшев, к.т.н.
Т.А. Тышецкий
Научный редактор  А.Н. Федоровский (к.ф-м.н.)
Редактирование, техническое редактирование,
компьютерная верстка  М.П. Кондрашова
© «Автономная энергетика: технический прогресс и экономика
2
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО
ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ
ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
С.И. Плеханов, А.Я. Тереков (к.т.н.)
НПП "Квант"
•
Перед современными разработчиками термоэлектрических бортовых источников электропитания космических аппаратов стоят две основные задачи – радикально
увеличить ресурс до 10 - 20 лет и КПД до 20 % при существенном увеличении удельной мощности термоэлектрических преобразователей.
Термоэлектрические преобразователи тепловой энергии в электрическую
используются для решения задач освоения космоса около 50 лет, и благодаря своей
высокой надежности и большому сроку службы, являются для космических аппаратов,
в первую очередь для тех, которые выполняют исследования дальнего космоса,
незаменимыми бортовыми источниками электропитания.
Исследования в области космических бортовых термоэлектрических источников
питания ведутся по двум основным направлениям: радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) и космические ядерные термоэлектрические установки
(КЯТЭУ).
Первые в СССР космические РИТЭГ типа «Орион» на Ро 210 успешно отработали гарантийный срок в составе двух малых спутников связи «Стрела-1» (1965 г.).
Межпланетные станции «Пионер-10» и «Пионер-11» (США) с РИТЭГ типа
SNAP-19 электрической мощностью 40 Вт были запущены в 1972 и 1973 гг. и
продемонстрировали удивительную надежность термоэлектрических преобразователей. Одна из станций продолжает поддерживать радиосвязь с Землей до сих пор и
передает важную информацию, находясь на периферии Солнечной системы.
Созданные в СССР КЯТЭУ имели гораздо большую мощность (2,8 кВт) по
сравнению с радиоизотопными, и за время их эксплуатации в космосе в течение 18 лет
не было зафиксировано ни одного отказа или сбоя в работе. Основные характеристики
КЯТЭУ, использовавшихся в составе космических аппаратов в США и СССР
приведены в таблице 1 [1].
Таблица 1
Параметры
SNAP-10A (США)
ЯТЭУ БЭС-5 «Бук» (СССР)
Тепловая мощность, кВт
Электрическая мощность, кВт
Ресурс, мес.
Масса, т
Количество запусков
34
0,54
1,5
0,45
1
100
2,8
6
0,9
31
Годы запуска
1965
1970-1988
3
В термоэлектрической установке «Бук» использовались двухкаскадные
термобатареи (ТЭБ), включенные последовательно по тепловому потоку и параллельно
по электрическому току. В качестве «горячего» каскада были применены термобатареи
из кремний-германиевого сплава (Si-Ge), термобатареи «холодного» каскада имели
n-ветви из сплава PbTe и p-ветвь из сплава GeTe. Паразитный перепад температуры на
теплоконтактном электроизоляционном переходе составлял 90 - 100 С, поэтому КПД
энергоустановки составлял около 5 % [2].
С учетом высокой надежности термоэлектрических преобразователей тепловой
энергии в электрическую и накопленного опыта их практического использования в
космосе представляется целесообразным рассмотреть их в качестве перспективных
источников питания для электрореактивных двигателей космических аппаратов
различного типа и мощности.
Первый
электрореактивный
двигатель
испытывался
на
советской
автоматической станции «Зонд-2» в 1964 г. Кроме того, в СССР проводились
широкомасштабные работы по созданию и испытаниям ионных электрореактивных
двигателей по программе «Янтарь» в 1966 - 1970 гг. [3].
В НПП «Квант» достигнут значительный прогресс в создании термобатарей с
мультикаскадными ветвями n и p-типа проводимости, температурой эксплуатации до
650 С и максимальным КПД до 12 %. Современные термоэлектрические материалы
имеют максимальные значения добротности (Z) в сравнительно узком интервале
температуры. Известно, что кпд термобатареи () в значительной степени зависит от
добротности:
𝑀𝑧 ∆𝑇
ℎ=
,
2𝑇г
2∆𝑇
(1+𝑀)2 [1+
−
]
2
1+𝑀
2(1+𝑀)
где Т – перепад температур на термобатарее (термоэлементе − ТЭ), создаваемый
тепловым потоком; М – отношение сопротивления нагрузки к внутреннему
сопротивлению термобатареи (ТЭ), которое для решения получения максимального
КПД определяется следующим образом:
𝑀𝑜 = √1 + 𝑍
Тг+Тх
2
,
где Тг и Тх соответственно, – температура горячего и холодного спая термобатареи
(ТЭ).
Максимальная величина КПД, соответствующая этому значению Мо будет
определяться формулой Иоффе:
Тг − Тх Мо − 1
𝜂макс =
.
Тх
Тг
Мо + Тг
Согласно теории Иоффе, максимум добротности достигается при оптимальной
концентрации носителей тока, которая является функцией температуры, поэтому
термоэлемент, работающий в широком интервале температур должен иметь
переменную концентрацию носителей тока вдоль вектора теплового потока. На
практике это достигается за счет составной ветви термоэлемента, т.е. состоящей из
двух и более каскадов (мультикаскадной). Чтобы обеспечить длительное
существование такого термоэлемента необходимо введение между каскадами
антидиффузионных барьеров, препятствующих диффузии ингредиентов сплавов
полупроводниковых материалов и легирующих добавок из одного каскада в другой.
Решение этих материаловедческих и конструкторских задач позволило «Кванту» создать термоэлектрические батареи с КПД 12 % в температурном интервале 930 - 300 К,
4
т.е. выше, чем в термоэлектрической установке БЭС-5 «Бук», при этом удельная
мощность составила 180 Вт/кг.
Максимальная удельная электрическая мощность (Wуд.) термогенератора, т.е.
мощность, отнесенная к поверхности холодильника излучателя, равна [4]:
𝑊уд. =
1
2
3
8
4 ( 𝑇− 𝑇
𝑀𝑜 𝐾𝑝 𝐸 ′ 𝜎𝑇изл.
г
изл. )
,
3
3
1 1,5𝑇г +8𝑇изл. +𝑀𝑜 (𝑇г +4𝑇изл. )
2
(1+𝑀𝑜 ) [ +
]
2
2(1+𝑀𝑜 )2
где Fизл. – поверхность излучения, Kp – коэффициент увеличения теплового потока за
счет оребрения, σ – постоянная Стефана – Больцмана, E’ – коэффициент черноты
излучателя, Tизл. – температура излучателя.
Наибольшего успеха удалось достичь в повышении срока службы. Тестирование
термобатарей после 15-летнего испытания в составе термогенератора с газовым нагревом, показало, что они сохранили свои энергетические характеристики [5]. В 2009 г.
эти термобатареи после измерений были вновь поставлены на работающий генератор, и
до настоящего времени (это уже 17-летний срок службы) электрическая мощность
генерируемая в нагрузку, остается постоянной.
Металлографические исследования мультикаскадных ветвей термоэлементов
показали хорошую физико-химическую совместимость полупроводниковых и
коммутационных материалов, антидиффузионных барьеров, токовых шин. При этом
ресурс ТЭБ может составить 30 - 40 лет, а в космических условиях, где отсутствуют
основные источники мягкой деградации их энергетических характеристик, например,
реверсы термических напряжений в термоэлементах и силы трения при их
перемещениях относительно горячего теплопровода, срок службы может увеличиться в
1,5 - 2 раза.
Следующим шагом в развитии термоэлектрических преобразователей явились
работы по созданию высокотемпературных и сверхвысокотемпературных элементов с
температурой эксплуатации до 1500 С на основе сульфидов редкоземельных элементов, например, сульфида самария и сульфида европия и иттербия [6].
Соединения на основе сульфида самария относятся к группе полупроводниковых материалов с высокой температурой плавления (1940 С) и широкой запрещенной зоной. Результаты предварительных исследований свидетельствуют, что на основе
сульфидов редкоземельных материалов может быть создан достаточно эффективный
сверхвысокотемпературный полупроводниковый материал [7]. Исследования проведены на прессованных образцах, изготавливаемых на основе сульфидов самария, европия,
иттербия и сплавов на их основе. Из представленных на рис. 1 данных видно, что
соединения характеризуются высокими значениями коэффициента термо-э.д.с. (), и
увеличение в сплавах содержания самария ведет к снижению  и увеличению удельной
электропроводности (). Последнее свидетельствует об уменьшении количества
вакансий в подрешетке металла. Энергия активации электронов составляет ~ 0,2 эВ и
она несколько уменьшается при увеличении металлической компоненты в сплаве.
Сплавы сульфида иттербия и сульфида европия в отличие от SmS характеризуются
р-типом проводимости и имеют энергию активации проводимости равную 1,7 и 2,0 эВ.
Практический интерес представляет исследование системы SmS-YbS, результаты
которого представлены на рис. 1.
Таким образом, на основе рассматриваемых соединений могут быть изготовлены
полупроводниковые материалы с ZT, существенно превышающим единицу.
На рис. 2 представлены термоэлементы с 3 - 4 - 5 каскадными ветвями.
5
Следует отметить, что 3-х каскадный термоэлемент уже реализован на практике,
а для изготовления 4 - 5 каскадных термоэлементов еще предстоит работа по созданию
антидиффузионных барьеров и технологии компактирования ветвей. В тоже время в
результате этой работы возможно получение КПД 25 - 26 %, что вплотную приблизит
термоэлектрический метод получения электричества к машинному и позволит
приступить к созданию на его основе более эффективных термоэлектрических
источников питания для электрореактивных двигателей космических аппаратов.
3-х каскадный
вариант
КПД = 12 %
Тх – Тг = 300 - 930 К
4-х каскадный
вариант
КПД = 18,3 %
Тх – Тг = 300 - 1270 К
КПД = 12 %
Тх – Тг = 570 – 1270
К
5-и каскадный
вариант
КПД = 26 %
,
Тх – Тг = 300 - 1770 К
КПД = 19 %
Рис. 1. Температурные зависимости
термо-э.д.с. и проводимости:
Тх – Тг = 570 – 1770 К
Рис. 2. Перспективные термоэлементы с
каскадными ветвями:
SmS (1), YbS (6) и сплавов на основе SmS,
содержащих 10 (2), 25 (3), 33 (4), 67 мол. %
YbS (5) и 33 мол. EuS % (7).
1 – холодная коммуникационная шина;
2, 3 – двухкаскадная n-ветвь на основе PbTe;
4 – горячая коммуникационная шина;
5, 7, 8 – 3-х каскадная p-ветвь на основе
халькогенидов олова, германия, висмута;
6 – антидиффузионный барьер;
9, 10 – сульфид самария, сульфид иттербия.
Вышеизложенное направление работ по повышению КПД термоэлектрических
бортовых источников электропитания космических аппаратов было рассмотрено на
совместном заседании двух Научных советов РАН: «Методы прямого преобразования
видов энергии» и «Теплофизика и энергетика» (24 июня 2010 г.) и получило поддержку
и одобрение чл. корр. РАН В.М. Батенина и академика РАН О.Н. Фаворского.
В последнее время появились сообщения об использовании электрореактивных
ионных двигателей для космического аппарата с беспрецедентно низкой высотой
6
рабочей орбиты (порядка 255 км). [8] Компенсация сопротивления атмосферы
осуществляется за счет постоянно работающего ионного двигателя с регулируемой
тягой. Это позволяет говорить о значительном расширении области применения
электрореактивных двигателей космических аппаратов, т.е. об их использовании даже в
ближнем космосе, что открывает дополнительные перспективы перед термоэлектрическими бортовыми источниками электропитания.
Рис. 3. Ионный двигатель с регулируемой тягой.
Литература
1. Ярыгин В.И. Термоэлектричество и термоэмиссия в космических ядерных
энергетических установках прямого преобразования. Современное состояние и
перспективы. ГНЦ РФ-ФЭИ, Международная конференция «Ядерная энергетика в
космосе – 2005», Сб. докладов, М. 2005.
2. Варламов С.А., Иванов А.С., Прилепа Ю.П., Синявский В.В. О возможности
повышения
эффективности
термоэлектрического
генератора
космической
двухрежимной ядерно-энергетической установки. Известия РАН, Энергетика, ISSN 002
- 3310, № 1, 2009.
3. Головачев В. Двигатель для межпланетного корабля, Российский космос, № 1 (37),
2009, с. 52 - 55.
4. Охотин А.С. и др. Термоэлектрические генераторы. М., Атомиздат, 1971, с.181.
5. Тереков А.Я. К оптимизации р-ветви среднетемпературного термоэлектрического
модуля. Сб. докладов, ХI Межгосударственный семинар, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ноябрь
2008, с. 356 - 362.
6. Ерофеев Р.С., Коломоец Н.В., Овечкина В.И. Получение и исследование свойств
сплавов на основе SmS. Неорганические материалы, т. 13, № 6, 1977, с. 978-981.
7. Тереков А.Я., Плеханов С.И. Доклад на совместном заседании Научного совета РАН
по комплексной проблеме «Методы прямого преобразования видов энергии» и
Научного совета РАН «Теплофизика и энергетика», 24 июня 2010 г., г. Москва.
8. Левченко Е., Соболев И. GOCE: долгожданный геоид получен, Новости
космонавтики, № 5, 2011, с. 58 - 59.
__________________
7
НАДЕЖНОСТЬ ТЕРМОЭЛЕКТР ИЧЕСКОГО КОНДИЦИОНЕРА
В.З. Авилов, О.Б. Зайцев, А.П. Копылов, П.Ф. Осипов-Ивановский
И.В. Сгибнев, (к.ф-м.н.) Е.В. Ханин
НПП "Квант"
•
1. Технические решения для обеспечения надежности кондиционера
Кондиционер ТККМ-4,0 Т110 предназначен для поддержания комфортных
условий по температуре и влажности в кабине машиниста подвижного состава.
Надежность термоэлектрического кондиционера определяется надежностью входящих
в его состав управляющих приборов, термоэлектрических преобразователей,
вентиляторов и элементов конструкции. Наиболее уязвимой частью являются
термоэлектрические элементы (модули), обеспечивающие охлаждение. Выход их из
строя возможен из-за воздействия электрохимической эрозии, разрушения
термоэлектрических ветвей вследствие каких-либо механических воздействий, обрыва
токовыводов, закорачивания модулей на корпус кондиционера и т.д. В результате
таких отказов возможен либо обрыв электрической цепи модуля, либо прохождение
тока, минуя этот модуль. Используемые модули обладают высокой надежностью,
однако, в связи с заявленным сроком службы кондиционера, сопоставимым со
сроком службы подвижного состава, необходимо учитывать возможность таких
отказов.
С целью повышения надежности кондиционера используется параллельно-последовательная схема соединения модулей [1], когда они включаются параллельно и
образуют звено, а звенья включаются последовательно, что исключает разрыв
электрической цепи кондиционера при отказе отдельных модулей. При разрушении
какого-либо модуля, или же обрыва его токовывода, происходит перераспределение
тока на остающиеся работоспособные модули, включенные в параллель с вышедшими
из строя. В случае одиночных отказов такого рода в разных звеньях перераспределение
тока в модулях, оставшихся работоспособными, незначительно, и термоэлектрический
кондиционер сохраняет свою работоспособность.
Наиболее серьезный случай, когда выходят из строя несколько модулей
какого-либо одного звена, следует рассмотреть отдельно, хотя вероятность реализации
такого события мала. В этом случае ток, перераспределившийся на работоспособные
модули звена, увеличивается скачками по мере выхода из строя очередного модуля
и, в конечном счете, может превысить допустимые величины, что приведет к отказу
всего кондиционера в целом. Скачки тока обусловлены увеличением напряжения
на звене из-за увеличения его сопротивления по мере выхода из строя модулей.
Закорачивание двух токовыводов модуля в звене также приводит к скачку
напряжения на остальных звеньях, так как ток в этом случае идет мимо закороченного
звена.
С целью повышения надежности, нами были выбраны соответствующая конструкция кондиционера, схема соединения термоэлектрических элементов (модулей),
а также режим их работы.
В блоке кондиционера содержится 96 термоэлектрических элементов (модулей)
типа ТМ127-2,0-15,0. Внутреннее сопротивление модулей составляет 0,8 Ом; бортовое
8
напряжение, питающее кондиционер, равно 110 В. Модули контактируют своими
теплообменными площадками с основаниями горячих и холодных радиаторов. Выделяющееся тепло, снимаемое горячими радиаторами, выносится с помощью вентиляторов наружу, а холод, снимаемый холодными радиаторами, с помощью вентиляторов
поступает в кабину машиниста.
Горячий радиатор состоит из восьми секций, изолированных друг от друга и от
несущей рамы. На каждую секцию горячего радиатора приходится двенадцать
термоэлектрических модулей. Количество холодных радиаторов в блоке кондиционера
− сорок восемь, каждый холодный радиатор объединяет два модуля, а на одну секцию
горячего радиатора приходятся шесть холодных. Холодные радиаторы также
изолированы от горячих радиаторов и от несущей рамы. Термоэлектрические модули
соединены параллельно по четыре, образуя звено, а звенья, в количестве двадцати
четырех, соединены последовательно.
Все электрические соединения, токовые выводы модулей, силовые провода
расположены со стороны холодных радиаторов. Изоляция радиаторов препятствует
закорачиванию токовыводов на металлические части конструкции (например, на
основания радиаторов) и, тем самым, снижает вероятность отказов по этим причинам.
Кроме того, согласно предложенной схеме соединения модулей кондиционера,
реализуется режим его работы с максимальным холодильным коэффициентом к [2, 3]
(к = Q/W, где Q – холодопроизводительность кондиционера, W – затраченная
мощность). Такой режим работы характеризуется достаточно высокой холодопроизводительностью при минимальной затраченной мощности. Так, если в режиме
максимальной холодопроизводительности номинальный ток через модуль должен
составлять 15 А, то в данной конструкции, в которой реализуется режим максимального холодильного коэффициента, ток через модуль составляет 4,1 А, т. е. значительно
меньше номинального. Это обусловлено необходимостью получения достаточной
холодопроизводительности (не менее 2200 Вт) при ограниченном потреблении
модулями
мощности (менее 1800 Вт). Такой режим, помимо минимального
потребления энергии, позволяет сохранить работоспособность кондиционера в случае
выхода из строя одного, двух или даже трех из четырех модулей в звене. Так, при
выходе из строя одного модуля ток на остающихся в звене модулях возрастает с 4,1 А
до 5,41 А; при выходе из строя двух модулей ток увеличивается до 7,84 А, а при
выходе из строя трех модулей в звене ток через оставшийся работоспособный модуль
достигает 14,0 А, что соответствует рекомендуемому току в режиме максимальной
холодопроизводительности. Переход от режима максимального холодильного
коэффициента к режиму максимальной холодопроизводительности работоспособного
модуля при таких отказах в эвене приводит лишь к небольшому снижению общей
холодопроизводительности звена вследствие увеличения нагрузки на работоспособные
модули.
В табл. 1 представлены величины напряжений и токов на модулях в звене из
четырех модулей типа ТМ127-2,0-15,0 для случаев, как со всеми работающими
модулями звена, так и при выходе из строя одного, двух или трех модулей в одном
звене.
Таблица 1
Кол-во отказов в
звене,
N
Напряжение
на звене,
U, B
Рабочий ток
модуля в звене
I, А
Отношение тока
к номинальному
I / Iном
Холодопроизводительность
кондиционера
Q, Вт
0
1
4,5
5,8
4,1
5,4
0,27
0,36
2200
2196
9
2
3
8,8
16,2
7,8
14,0
0,52
0,93
2115
2002
В случае закорачивания двух токовыводов модуля на основании какого-либо
радиатора выводятся из работы и оставшиеся три модуля звена, так как ток будет
идти минуя их. В этом случае скачок напряжения на остающихся модулях и его
влияние на работоспособность кондиционера незначительны. В случае закорачивания
модулей секции таким образом, что выводятся из работы все модули секции (в
количестве двенадцати), то и в этом случае напряжение на остающихся модулях
возрастает с 4,1 А до 4,68 А, что также не приводит к выходу из строя всего
кондиционера в целом.
Закорачивание двух или нескольких токовыводов модулей на различные секции
горячих радиаторов или радиаторов холодных никак не сказывается на работоспособности кондиционера.
Таким образом, деление горячего радиатора на изолированные секции, изолирование холодных радиаторов, выбор принятой схемы соединения модулей, а также
указанного режима их работы позволяет обеспечить срок службы кондиционера,
сопоставимый со сроком службы подвижного состава.
2. Расчет надежности кондиционера
Кондиционер функционально содержит два блока. Каждый блок состоит из двух
последовательно соединенных полублоков термоэлектрических модулей (ТЭМ), 4-х
вентиляторов кондиционирующего канала, 4-х вентиляторов технологического канала
и преобразователя напряжения (ПН). Кроме того, в состав кондиционера входит пульт
автоматического управления, общий для обоих блоков.
Блок ТЭМ включает 96 полупроводниковых модулей, объединенных в 24
последовательно включенных звена. В каждом звене 4 модуля соединены параллельно.
Электропитание термомодулей и вентиляторов осуществляется от ПН по
отдельным цепям, причем напряжение на вентиляторы подается с предварительным
преобразованием 110/48 В.
Кондиционер на тепловозе работает в условиях различных разрушающих
факторов: сезонного и суточного колебания температур, влажности, а также под
воздействием вибраций и линейных перегрузок. Для уменьшения влияния коррозии,
оба канала герметизированы материалом ППЭ, имеющим минимальное влагопоглащение. Кроме того, предусмотрены периодические циклы «сушки» для удаления влаги
из охлаждающего контура. Для защиты от перегрева модулей логика управления
предусматривает контроль их температуры и отключение питания при достижении
температуры основания «горячего» радиатора, равной 70 С. Собственная температура
модуля при этом не превышает 80 С, тогда как материал модуля рассчитан на
максимальную температуру 180 С. Для защиты модулей от перегрузки уровень
номинальной мощности выбран на уровне (0.25 - 0,3)  Pmax. Дополнительным
защитным фактором для модулей являются блокировки резкого перехода от режима
«охлаждения» к режиму «нагрева» и наоборот, предусмотренные логикой автоматического управления кондиционером.
Предварительный расчет надежности, приведенный в данном отчете, выполнен
по приближенной методике на основании вероятностных показателей. При этом
надежность жгутов, а также неподвижных элементов конструкции, не находящихся под
напряжением, принята равной 1. Другое допущение при расчете надежности состоит в
10
предположении, что в течение расчетного ресурса кондиционера сохраняется режим
«охлаждения», т.е. из рассмотрения исключаются режимы «нагрева» и «сушки», как
более щадящие по сравнению с режимом «охлаждения», поскольку в этих случаях не
работают вентиляторы технологического контура. Ожидаемая оценка расчетной
величины показателя надежности при таких допущениях должна быть пониженной.
Очевидно также, что такое же влияние на расчетный результат окажет исключение
переходных режимов работы кондиционера, реализуемых при вдвое меньшей
электрической нагрузке на модулях.
При расчетной оценке надежности следует учитывать, что требуемый срок
службы кондиционера (не менее 120000 часов) превышает технический ресурс
вентиляторов – 60000 часов, а также гарантийный срок работы ПН и пульта (24
месяцев), т.е. как вентиляторы, так и пульт, и ПН рассматриваются как ремонтируемые
или заменяемые комплектующие в течение срока службы кондиционера. Поэтому
кондиционер рассматривается в целом как устройство с восстановлением. Поскольку
следствием выхода из строя вентилятора (из-за отказа двигателя) является лишь
незначительное уменьшение мощности кондиционера, и эта мощность восстанавливается после ремонта (или замены) отказавшего вентилятора, можно принять
надежность двигателя вентилятора равной 1.
В качестве показателя надежности кондиционера в целом (с учетом сформулированных выше допущений) принята вероятность его безотказной работы в течение
120000 часов. Дополнительно определяется также надежность кондиционера при
работе в течение гарантийного срока службы (18000 часов).
Количественной характеристикой работоспособности кондиционера в
соответствии с принятыми допущениями является величина его «холодопроизводительности», измеряемая в единицах мощности, которая у новых кондиционеров должна
быть по проекту на уровне 4500 Вт, а в течение ресурса должна быть не ниже 4000 Вт
при работе обоих блоков.
Расчет показателя надежности кондиционера с учетом принятых допущений
выполняется, ввиду независимости отказов в ПН и в блоках ТЭМ, по формуле:
PK  PПН  PM ,
(1)
где PK – надежность кондиционера; PПН – надежность ПН при обеспечении электропитанием блоков: ТЭМ и вентиляторов кондиционирующих и технологических контуров
блоков; PM – надежность блоков ТЭМ кондиционера.
Надежность ПН, изготовленного в соответствии с требованиями к производству военной техники, принята равной: PПН = 0, 95 – для ресурса 120000 часов; PПН =
0, 99 – для срока службы 18000 часов.
При определении надежности ТЭМ исходим из величины показателя
надежности единичного модуля, который вычисляется с учетом экспоненциальной
зависимости надежности от времени:
Р = exp (–   T),
(2)
где P – надежность единичного модуля;  – интенсивность отказов модулей, час-1; T –
длительность функционирования кондиционера, час.
Отказы модулей рассматриваем только в виде «обрыва», т.к. короткие
замыкания в заложенной схеме коммутации модулей маловероятны по сравнению с
обрывами. Максимально возможное число (М) отказавших модулей в кондиционере,
при котором его «холодопроизводительность» сохраняется в допустимых пределах,
определим в предположении, что мощность кондиционера пропорциональна числу
4500  4000
исправных модулей, т.е.: M 
192  21.
4000
11
Число отказавших модулей в течение заданного времени (m) подчиняется
биноминальному закону распределения, а именно:
M
m
(3)
PM  Bep (m  M)   C192
 P192- m  (1  P) m .
m 0
При большом числе модулей биноминальное распределение становится близким
к нормальному распределению, для которого имеются табличные данные для
нормализованных случайных величин:
M  192  (1  P)
X
(4)
192  P  (1  P)
и тогда надежность блоков ТЭМ кондиционера (PM) определится как:
(5)
PM  Bep (m  M )  F0 ( X ) .
Результаты расчетов представлены в таблице для суммарного числа отказавших
модулей в обоих блоках кондиционера М = 21. Для величины интенсивности отказов
модулей, использованной в расчетах, выбрано максимальное значение для
полупроводниковых приборов по данным 7-го, 8-го и 9-го симпозиумов США [4],
которое принято равным:  = 0,7  10-6 час-1.
В табл. 2 приведены результаты расчетов надежности модуля, ПН и
кондиционера в целом как для гарантированного срока службы, так и для полного
ресурса.
Таблица 2
Параметры
Срок службы, час
120000
18000
Надежность модуля, Р
Вероятность отказа модуля
Значение нормализованной
величины X
Надежность блоков ТЭМ
Надежность ПН
Надежность кондиционера
0,916
0,084
0,747
0.987
0.013
>11
0,897
0,95
0,852
> 0,910
0,99
0,99
Литература
1. Цветков Ю.Н., Аксенов С.С., Шульман В.М./Судовые термоэлектрические охлаждающие устройства. Судостроение, Л., 1972.
2. Иоффе А.Ф./Полупроводниковые термоэлементы. Издательство АН СССР, М-Л,
1960.
3. Бурштейн А.И./Физические основы расчета термоэлектрических устройств.
Физматгиз, М, 1962.
4. Сборник задач по теории надежности. Советское радио, 1972.
__________________
12
ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА МАТЕРИАЛЫ
СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ НИЗКООРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ
В.А. Летин (к.т.н.), Л.С. Гаценко (к.т.н.), Н.Е. Маслякова
НПП "Квант"
•
Введение
Атомарный кислород (АК) является наиболее агрессивным фактором
космического пространства (ФКП) на низких околоземных орбитах (НОО), который
вносит существенный вклад в оптическую деградацию параметров солнечных батарей
(СБ), длительно работающих на этих высотах [1]. АК участвует в деструкции и
трансформации наружных материалов космических аппаратов (КА), продукты которых
осаждаются на оптических поверхностях СБ, вызывая ухудшение генерируемой
мощности.
К настоящему времени проведены обширные исследования основных параметров
АК в зависимости от космических условий, деградации космических материалов при
воздействии АК как в наземных условиях в имитаторах космической кислородной
плазмы, так и в космосе (полёты Шаттла-STS 1÷8, КА GDEF, Spot, космических
телескопов Space Telescope, XMM, Хабл, околоземной станции «Мир» и т.д.) [1 - 9].
Были выполнены также исследования материалов и фрагментов кремниевой СБ,
возвращенной на Землю после 10,5 лет работы на околоземной станции (ОС) «Мир»,
которые дали ценную информацию о процессах деструкции материалов СБ под
действием ФКП, в том числе и АК, источниках загрязнений оптической системы СБ.
В результате проведенных исследований [3, 5, 6] были выбраны наиболее
совершенные материалы, определена их пригодность для использования в КА,
работающих на НОО, и разработаны меры защиты различных конструктивных
материалов, не стойких к воздействию ФКП.
Данная работа посвящена анализу основных исследований по воздействию АК на
космические материалы, применяемые в КА и, в частности, в СБ.
Орбитальный атомарный кислород
Известно, что АК является основной компонентой остаточной атмосферы на
высотах НОО – от 200 до 700 км. Для больших высот проблема воздействия АК на
материалы для КА, находящихся на геостационарной орбите, не возникает, поскольку
там концентрация АК слишком мала.
Плотность потока АК во многом определяется степенью солнечной активности,
влияние которой на плотность АК в атмосфере в зависимости от высоты показано на
рис. 1 [2]. Из рисунка следует, что, например, для высоты 500 км плотность АК
возрастает приблизительно от 2,5 · 106 ат · см-3 при минимальной солнечной
13
активности
до 2 · 108 ат · см-3 при максимальной, а поток АК при этом
увеличивается от 2 · 1012 см-2 · сек-1 до 2 · 1014 см-2 · сек-1, т.е. на два порядка. В период
максимальной солнечной активности плотность АК значительно увеличивается даже на
высотах порядка 800 км.
Рис. 1. Плотности и потоки атомарного кислорода в зависимости от высоты орбиты при
различной солнечной активности.
Графики плотностей АК как функции высоты (рис. 1) были получены по
результатам моделирования при использовании программы MSTS. Применение
подобных методик позволяет проводить оценки потоков АК, которые характеризуют
конкретный полет с учетом даты запуска, типа орбиты, ориентации поверхностей по
отношению к направлению перемещения и характера солнечной активности.
Например, в таблице 1 приведены времена, необходимые для получения
заданного флюенса АК (4,8 · 1021 ат · см-2) на поверхности, перпендикулярной направлению вектора скорости, в случаях сильной, средней, и слабой солнечной активности
для полетов различного характера.
Таблица 1
Время Т, необходимое для получения флюенса 4,8 · 1021 атомов · см-2
Время Т солнечной активности, дни
Высота,
км
сильная
Средняя
слабая
Круговая
экваториальная
185
290
320
800
9,2 · 100
5,2 · 101
1,6 · 102
2,9 · 104
1,1 · 101
7,3 · 101
2,7 · 102
1,3 · 105
1,3 · 101
1,7 · 102
1,0 · 103
3,7 · 106
Круговая
полярная
185
290
320
800
9,9 · 100
5,6 · 101
1,7 · 102
3,4 · 104
1,1 · 101
7,9 · 101
2,9 · 102
1,3 · 105
1,4 · 101
1,8 · 102
9,8 · 107
3,7 · 106
Тип орбиты
14
На основе найденных для данного полета флюенсов можно провести оценки
потерь толщин отдельных материалов, подвергающихся окислению, если известны
значения их реакционной эффективности Re (см3/атом).
Важно знать Re полимеров, которые особенно чувствительны по отношению к
АК. Величина Rе для них определяется следующим выражением:
NT
M
M
Re  
 ,
 NC  NО 
где M = M/NT, М – молекулярная масса, ρ – плотность полимера, NT – общее число
атомов в испытуемом полимере, NC – число атомов углерода, NO – число атомов
кислорода,
NT
.
 
NC  NO
Деградация космических материалов при воздействии АК
Деградация материалов космических объектов под воздействием АК изучалось
параллельно в наземных условиях и в космосе.
Более достоверными оказались результаты, полученные в космических
исследованиях, т.к. в лабораторных экспериментах трудно смоделировать условия
НОО во всех аспектах. Отмечалась бóльшая деградация материалов и более высокие
скорости реакций при наземных испытаниях.
На основании проведенных исследований [2] было установлено, что наиболее
устойчивыми к АК являются неорганические материалы, прежде всего, стекла, а также
большинство металлов и их оксидов, оксиды неметаллов. При взаимодействии с АК
золото и платина не претерпевали никаких изменений. Все остальные металлы, за
исключением осмия и серебра выделяли тепло при окислении АК, образуя стабильные
оксиды, которые становились хорошей защитой от окисления объемных слоев. Серебро
и осмий быстро разрушались под воздействием АК из-за хрупкости соответствующих
оксидов.
Наибольшей деградации при воздействии АК были подвержены полимерные
материалы, особенно в виде пленок. Была отмечена сильная деградация полимеров,
содержащих такие элементы как С, Н, О, N, S. Эти материалы имели высокие скорости
потерь массы (ПМ), а их реакционная эффективность составляла от 2,5 · 10-24 до 4,0 ·
· 10-24 см3/атом. Самыми слабыми оказались карбонильная (СО) и имидная (NH) группы. За ними следуют по мере возрастания устойчивости к АК метильная (СН3),
фенильная (С6Н5) и фенантренильная (С14Н8) группы.
К полимерам не стойким к АК можно отнести полиимидные пленки (каптон),
полиамидные (кевлар), полиэтилентерефталатные (майлар), полисульфоновые,
полиуретановые краски, эпоксидные смолы и все композиционные материалы на
основе эпоксидных смол и углерода [2].
Под действием АК у материалов указанных классов изменялись масса, морфология поверхности, теплооптические свойства, состав, прочностные характеристики.
В таблице 2 представлена экспериментальная реакционная эффективность
некоторых космических материалов.
Таблица 2
Экспериментальная реакционная эффективность различных материалов
при воздействии АК на НОО
Материалы
Экспериментальная реакционная эффективность,
15
10-24 см3/атом
1. Серебро
2. Полиуретан
3. Полиэтилен
4. Майлар А (полиэтилентерефталат)
5. Тедлар (полимер винилфторида) – аналог
фторопласта-1
6. Полиметилметакрилат
7. Каптон Н без покрытия (полиимид)
8. Полиэфир
9. Полисульфон
10. Эпоксид
11. Композит графит-эпоксидная смола
12. Диметилсилоксановый каучук RTV 615
13. Тефлон FEP (аналог фторопласта 4МБ)
14. Каптон, покрытый тефлоном FEP
15. Каптон, покрытый алюминием
16. Каптон, покрытый SiO2 (650Å)
10,5
5,8
3,7
3,5
3,2
3,1
3,0
2,9
2,4
2,0
2,0
0,06
0,03
0,03
0,01
< 0,0008
Как видно из таблицы, наибольшую эрозию из неорганических веществ
претерпевает серебро, а из органических – полиэтилен и полиэтилентерефталат.
Наибольшую стойкость имели силиконовый каучук и тефлон FEP (русский аналог
фторопласт 4МБ).
Более стойкими к воздействию АК по сравнению с каптоном оказались
фторсополимеры – тефлон FEP и РTFE, чья реакционная способность по отношению к
АК была меньше от 20 до 100 раз. Однако, при длительных полетах (более 4 лет) у
тефлона FEP выявились некоторые морфологические изменения поверхности.
Нестойким к воздействию АК из-за наличия водородных связей оказался
фторсополимер Тедлар (винилфторид).
Самую большую стойкость к воздействию АК среди полимеров проявили
силоксаны, у которых скорость эрозии была на один-два порядка ниже, чем у
остальных полимеров [2, 8], поскольку многие силоксановые полимеры при
воздействии АК и УФ образуют на поверхности покрытия, которые служат барьером,
защищающим нижележащие слои от окисления.
Одним из негативных последствий воздействия АК на органические материалы
является загрязнение поверхностей космических аппаратов (КА) продуктами,
выделяющимися при их деградации. К последствиям этих загрязнений относятся
ухудшение, главным образом, оптических и теплооптических свойств поверхностей
КА.
Защита космических материалов от воздействия АК
В дальнейшем исследования велись в направлении защиты нестойких
материалов от воздействия АК с целью не допустить их деградации и загрязнения
поверхностей КА.
Применение и прочность покрытий изучались в течение многих лет [2-13]. В
работе [9] представлены основные защитные покрытия и методы их нанесения на
16
материалы не стойкие к АК (таблица 3). К ним относятся, прежде всего, тонкие пленки
из неорганических материалов – металлов, неметаллов и их оксидов (Al, Si, Ge, Ni, Cr,
Al2O3, SiO2, ITO), а также нитриды и оксинитриды (SiN, SiON).
Таблица 3
Основные технологические методы защиты полимеров и композиционных материалов от
окружающей среды на низких околоземных орбитах
Технология или методы
Покрытия или материалы
Тонкопленочные покрытия, нанесенные
методом вакуумного осаждения.
Физическое осаждение паров (PVD).
Испарение тепловым и электронным
лучом.
Магнетронное распыление (MSD).
Распыление ионным лучом (или ионным
лучом совместно со струйным) (IBSP).
Al, Si, Ge, Ni, Cr, SiOx (x=2),
Al2O3, SiO2, ITO, SiOx (x=2) + фторсополимер
Осаждение химических паров усиленной
плазмой (PECVP).
SiOx, SiO2, SiN, SiON
Поверхностная модификация.
PhotosilTM
Implantox TM
Модернизированная ионная имплантация
Объемные материалы и
толстопленочные защитные покрытия.
Силиконы, фосфины.
Специальные химические синтезы.
Системы красок: черные и белые органические и
неорганические терморегулирующие краски –
проводящие и непроводящие.
Осаждение плазменным распылением.
Алюминий, алюминий/иттрий/цирконий.
Механическая защита
β-ткани
алюминированные β-ткани
Упаковка трубками или покрытие
(армирование) металлами.
Анодированные алюминиевые фольги на
композиционных материалах
В настоящее время широко применяется метод обогащения поверхностных
слоев материалов специально выбранными химическими элементами, способными
создавать стабильные защитные оксиды или защитные поверхностные структуры на
основе оксидов в окислительной среде с помощью двух различных технологий [9].
В первой из них, названной Photosil, главным процессом является поверхностное
поглощение кремния с последующей окислительной стабилизацией.
Во второй (Implantox) используется ионная имплантация Si, Al, Si+Al, Si+Al+B,
Y, Sm, Gd в поверхность подложки в специально выбранных условиях.
Вторая технология успешно применялась для защиты изоляционной пленки
каптона в сотовых конструкциях СБ путем модификации поверхности методом ионной
имплантации элементов Si+B, Si+Al+B.
Известен также метод механической защиты материалов и структур КА с
помощью, например, анодированных алюминиевых фольг, стеклотканей и т.д.
17
Сравнительно недавно были синтезированы новые полимеры, которые
устойчивы к воздействию АК [9]. Они имеют в своей структуре химические элементы
(Si, P и др.), которые играют главную роль в создании на поверхности стабильных
защитных структур в виде нелетучих оксидов или стеклоподобных веществ при
нахождении полимеров в окислительной окружающей среде. Таким образом,
улучшенная сопротивляемость к атомарному кислороду таких материалов основана на
механизме поверхностной конверсии – образовании самозащитного поверхностного
слоя в виде «корки» при взаимодействии с АК. Похожие процессы возникают,
например, в полимерах с силиконовыми покрытиями типа CV 11440 или в каптоне,
поверхностно модифицированном Al+Si или Al+Si+B посредством ионной
имплантации, а также в полимерах «тритон» системы (TOR), например, в
полиариленовом эфире бензидозол-оксид фосфина - РАЕВI-РАЕ (рис. 2).
Полимеры «тритон» системы представляют собой класс космических особо
стойких полимеров со следующими свойствами в подклассах:
1) сопротивляемостью к АК и УФ-излучению; 2) минимальной деградацией αs/E
(поглощение/излучение); 3) проводимостью для стойкости к электростатическим
разрядам; 4) экранировкой электромагнитного поля.
Рис. 2. Один из полимеров «тритон» системы
(полиариленовый эфир бензидозол-оксид фосфина - РАЕВI-РАЕ).
К полимерам, стойким к АК, относятся также полимеры, полученные методом
химической модификации путем внедрения в структуру полимерных цепей различных
силоксаносодержащих фрагментов [9, 10]. Известно два типа таких полимеров:
1) сегментные силоксано-имидовые сополимеры – рис. 3 (а),
2) полимеры на основе эпоксисилановой синтезированной смолы – рис. 3 (б).
18
Рис.
3.
Сополимеры
силоксанов-имидовые (а) и
эпоксисилановые (б), полученные методом химической модификации.
Синергическое воздействие УФ-излучения и АК на полимерные материалы
Важной спецификой взаимодействия АК с материалами космических объектов
на освещенных участках орбиты является совместное воздействие на материалы кислородной плазмы и солнечного электромагнитного излучения с наиболее эффективным
участком при λ = 50 - 400 нм. Основной механизм взаимодействия УФ-излучения с
полимерами состоит в следующем. Энергии связи большинства органических соединений равны примерно 2 - 4 эВ, поэтому фотон УФ-излучения, полностью поглощенный молекулой полимера в единичном акте, может вырвать электроны, осуществляющие химическую связь, и перевести их на более высокие орбиты. Молекула
окажется в возбуждённом состоянии, из которого она может либо диссоциировать,
либо вернуться в основное состояние. Если произойдет диссоциация и последующие
химические реакции, энергия излучения будет частично затрачена на химические
изменения.
Остальная, обычно бóльшая часть, превратится в тепло. Небольшая часть
энергии может быть в некоторых случаях излучена путём флуоресценции.
Воздействие на полимеры только АК сводится к химическим реакциям
окисления и механическому воздействию на поверхность.
Результаты же синергического воздействия УФ и АК на полимеры могут быть
различными в зависимости от природы полимера, его физико-механического
состояния, окружающего пространства и т.д.
Так было замечено, что бóльшая деградация материалов при синергическом
воздействии УФ и АК происходит при наземной имитации по сравнению с космосом,
причём скорость реакций в космосе значительно ниже, чем на Земле [4 - 6, 13 - 16].
Расхождения возникают по нескольким причинам – из-за различия доз и углов падения
АК, интенсивностей и спектрального распределения солнечного излучения, наличия
загрязнений на поверхности космических объектов.
Скорости химических реакций с основным материалом в космосе уменьшаются,
т.к. АК вначале реагирует с загрязнениями, а затем уже с основным материалом.
19
При этом загрязнения, как правило, разлагаются до газообразных продуктов,
которые механически сдуваются с поверхности материалов потоком АК, очищая
поверхность.
Особенностью синергического воздействия АК и УФ на полимеры является
зависимость механизмов взаимодействия от физико-механического состояния
полимеров.
Так, ненапряженные плёнки фторсополимеров типа Ф-400 и Ф-4 (защитные
плёнки и оплётки проводов) оказались стойкими в течение 4-х летней экспозиции на
НОО. Плёнки Ф-400, присоединенные методом термокомпрессии к солнечным
элементам (СЭ), полностью деградировали за то же самое время в условиях НОО:
пожелтели, утратили оптическую прозрачность, растрескались, а в некоторых местах
полностью разрушились [8].
В тех же условиях НОО незащищённый каучук СКТНФ в напряжённом
состоянии превратился в диоксид кремния, а ненапряжённый каучук сохранил свою
основную структуру, несмотря на изменения в органическом обрамлении [8].
Примером синергического взаимодействия АК и УФ на каптон и FEP тефлон
является исследование старения наружных материалов платформы радиаторов
спутника Spot, проработавшего на орбите 820 км 11 лет в условиях солнечной
активности [4]. Воздействие УФ-излучения приводило к хрупкости верхних слоев
полимеров, а воздействие АК – к продолжительному травлению верхнего уже хрупкого
слоя (несколько мкм в год в период солнечной активности). Таким образом, АК
помогал сохранить и даже реставрировать недеградированную часть материала,
находящегося в верхних слоях.
Замедление деградации полисилоксанов при синергии АК и УФ по сравнению с
действием этих факторов по отдельности изучалось в наземных условиях на примере
полиметисилоксанов и полисилоксанов с фенильными и фенантренильными группами
[12 - 13].
Уже ранние исследования по воздействию УФ и кислорода воздуха на
полиорганосилоксаны показали, что кислород воздуха производит осветление
полифенилсилоксанов, потемневших в результате воздействия УФ [12].
В дальнейшем было установлено, что АК ослабляет воздействие УФ на
полисилоксаны с фенильными и фенантренильными группами. Исследование потерь
массы этих полимеров после воздействия только АК было в среднем на 7 % больше,
чем при синергии УФ + АК, что объяснялось тушением долгоживущих возбуждённых
состояний, вызванных УФ [13].
В полиметилсилоксанах не происходит заметного изменения в УФ спектре,
поскольку в них отсутствуют хромофорные группы, ответственные за поглощение
света в области 200 - 400 нм, поэтому эффекта ослабления воздействия УФ атомарным
кислородом в этом случае не наблюдается.
В то же время полисилоксаны с фенильными и фенантренильными группами по
сравнению с метилсилоксанами более стойки к АК из-за стабилизирующего действия
ароматического обрамления [8].
Механизм этой стабилизации, называемый «эффектом губки», состоит в
следующем. Ароматическое кольцо способно поглощать не только ту энергию,
которую оно получает непосредственно, но также бóльшую часть энергии, получаемой
соседними группами, а затем превращать всю энергию в тепло, не вызывая разрыва
соседних связей, так как эта энергия может быстро распространяться по резонирующему бензольному кольцу, не задерживаясь ни в одной связи настолько, чтобы успеть
её порвать.
20
Исследование воздействия АК на кремниевые СЭ,
фрагменты и подложки СБ
При определении стойкости СБ к АК необходимо рассмотреть защиту от АК
фотогенераторной части СБ, а также стойкость наружных материалов подложки СБ к
АК.
С целью исследования воздействия АК на образцы СЭ и фрагменты
отечественных СБ были проведены ускоренные наземные испытания в имитаторе
низкотемпературной кислородной плазмы [11].
Для её получения использовали индукционный ВЧ-разряд при низком давлении.
Интегральный поток ионов кислорода FjИМ с энергией 5 эВ, полученный в имитаторе,
составлял 1019 ионов·см-2, что равнялось соответствующему потоку АК в космосе на
высоте 200-300 км.
Время ускоренных испытаний (t) определялось из выражения
t = FjИМ / NjИМ,
ИМ
где Nj
– плотность потока имитируемых ионов кислорода.
В условиях эксперимента в данном имитаторе
NjИМ = 1015 см-2 · с-1, отсюда
19
t = (10 см-2)/( 1015 см-2 · с-1) = 104 с = 2,8 ч,
т.е. годовая доза облучения образцов в натурных условиях набиралась имитаторе за 2,8
часа.
Исследовались образцы кремниевых СЭ и фрагменты СБ на их основе.
Образцы СЭ размером 5 × 5 см с лицевой и тыльной сторон были защищены
стеклянными пластинами толщиной 0,2 мм, изготовленными из стекла марки К-208. С
двух сторон каждого СЭ были выведены медные шинки толщиной 50 мкм, покрытые
серебром толщиной 6 мкм. Серебряное покрытие на шинках не было защищено.
Фрагмент СБ имел размер 100 × 76 мм и состоял из СЭ размером 2,5 × 5,0 см.
СЭ вместе с шинками фрагмента были защищены с двух сторон стеклянными
пластинами толщиной 0,22 мм.
До и после воздействия АК измерялись вольтамперные характеристики (ВАХ)
образцов, вычислялись КПД и коэффициент заполнения ВАХ.
Образцы СЭ облучались по режиму ускоренных испытаний годовой и
полуторогодовой дозой облучения, а фрагмент СБ – дозой, равной 3 и 6 годам
пребывания на НОО.
Образцы СЭ после воздействия АК практически не изменили своих параметров.
Однако, слой незащищенного серебра, покрывающий шинки, подвергся
окислению. При наблюдении в интерференционном микроскопе на поверхности шинок
наблюдались продукты окисления серебра черного и светло-коричневого цвета,
которые являются оксидами серебра (AgO и Ag2О).
Точно такая же картина была выявлена на образцах шин с незащищенным
серебряным покрытием после 4-х летнего пребывания на ОС «Мир» [8], что
свидетельствует о более низких скоростях окисления серебра в космосе (почти в 3
раза).
Таким образом, необходимо защищать шинки из серебра и все детали СБ,
покрытые серебром.
Параметры фрагмента СБ после трехгодичной дозы облучения практически
остались без изменения, а ток короткого замыкания Iк.з. даже увеличился на 6 % , что
можно объяснить эффектом «очищения» поверхности образцов, который состоит в
21
разложении загрязнений, находящихся на СП, под воздействием АК на газообразные
продукты, покидающие поверхность, и, следовательно, в очистке оптической системы
СБ [8, 10].
Другим интересным явлением, которое наблюдалось в данном эксперименте,
было интенсивное свечение (люминесценция) около проводов, элементов крепления к
подложке и торцов фрагмента, т.е. около всех полимеров, применяемых в конструкции:
клея ЛКС 171 для приклеивания элементов крепления, оплетки, проводов и каучука
СКТНФ с лаком 139-240 для приклеивания стеклянных пластин к СЭ. Наблюдаемое
явление можно объяснить бомбардировкой плазмой кислорода полимеров, в результате
которой происходит возбуждение их молекул и затем переход из возбужденного
состояния в нормальное.
В нашем случае наиболее стойкими к АК оказались стекла, силоксановые лак
139-240 и каучук СКТНФ, находящийся на торцах СЭ, оплётка проводов из
фторопласта-4.
Таким образом, защищенная стеклянными пластинами фотогенераторная часть
СБ оказалась устойчивой к воздействию АК.
Данные результатов наземных испытаний подтвердились лётными испытаниями
материалов и фрагментов СБ на ОС «Мир» в течение 4-х лет, а также исследованиями
СБ, возвращенной с ОС «Мир» после 10,5 лет работы [7, 8].
Большое значение для защиты СБ от АК имеет выбор наружных материалов
подложки.
До обнаружения АК на НОО наблюдались случаи закорачивания токоведущих
частей СБ на сотовой подложке из-за стравливания электроизоляционного слоя
каптона. Этого вида деградации удалось избежать только после открытия АК в
результате полётов Шаттла и изучения деградации каптоновой плёнки под
воздействием АК. В результате были разработаны различные методы защиты каптона
от АК, которые были описаны выше (таблица 3).
Более надежной по отношению к АК является сетчатая подложка, основу
которой составляют стеклонити, стойкие к АК [14]. Однако, полимерное покрытие
стеклонитей является менее надежным элементом при работе СБ на НОО. В результате
проведенных исследований было выбрано покрытие на основе силоксановых
соединений (лак 136-320), который удовлетворяет требованиям по воздействию АК.
Был получен патент на изготовление сетчатой подложки, стойкой к АК и другим ФКП
[15].
К сожалению, невозможно выделить количественный вклад в оптическую
деградацию СБ в результате воздействия АК, т.к. общая оптическая деградация
определяется совокупностью многих сложных факторов.
В работе [16] было показано, что оптическая деградация вносила основной вклад
в общую деградацию по мощности кремниевой СБ на НОО. Поэтому очень важно при
конструировании СБ учитывать особенности взаимодействия АК с материалами СБ и
проводить соответствующие мероприятия.
Уже на стадии проектирования СБ должны быть выбраны наружные материалы,
стойкие к АК, с учетом синергического воздействия на них АК и УФ-излучения. Все
нестойкие материалы необходимо защищать методами, описанными выше.
Выводы
 Наибольшую реакционную эффективность при воздействии АК проявляют
полимерные материалы, особенно в виде тонких пленок и покрытий (полиуретан,
22
майлар А, тедлар, полиметилметакрилат, каптон Н, композиционные материалы с
углеродом и эпоксидом).
 Нестойкие к АК наружные материалы СБ должны быть защищены подходящими
методами.
 Фотогенераторная часть СБ надежно защищена от АК стеклянными пластинами,
которые обладают высокой стойкостью к АК.
 Сетчатая подложка кремниевых СБ с силоксановым покрытием выдерживает
воздействие АК.
Литература
1. Letin V.A., Gatsenko L.S. etc. Investigation of Solar Array Optical Degradation in LEO.
Proc. Seventh European Space Power Conference, Stresa, Italy, 9-13 May 2005 (ESASP-589,
May 2005).
2. Paillous A. Exposition des Satellites en Orbite Basse a L’oxygene Atomique. Technoloqie
de l’environement spatial, Toulouse, France, 1987, pp. 353-375.
3. Roble R.G. Chemistry in the Thermoshere and Ionosphere Chem. And Eng. Chem. News,
1986, 64, N 24, pp. 23-38.
4. Alet I. Eleven Years of Aging of SSMteflon on the Sunsynchronous Orbit – Spot. Proc. 7th
International Symposium on Materials in Space Environment, Toulouse, France, 16-20 June,
1997, (SP-399 August 1997).
5. Banks B., Rutledge Sh., Sechkar E. ets. Issues and Effects of Atomic Oxygen Interactions
with Silicone Contamination on Spacecraft in Low Earth Orbit. 8th International Symposium
(IS) on Materials in Space Environment, Arcachon, France, 5-9 June, 2000.
6. Dooren J., Rooij T. ets. Materials and Processes Engineering for the XMM-Newton X-ray
Space Telescope. IS on Materials in a Space Environment, Arcachon, France, 5-9 June, 2000.
7. Черток В.Е., Надоров В.П., Летин В.А., Каган М.Б. Послеполётные исследования
возвращенных на Землю фрагментов солнечной батареи 17КС 5810-0. ТО РКК
«Энергия», ГНПП «Квант», Королёв, Московская область, 1999.
8. Летин В.А., Гаценко Л.С., Байбакова Н.Н. Исследование экспериментальных
структур и материалов солнечных батарей после длительного экспонирования на
орбитальной станции «Мир». Автономная энергетика, № 17-18, 2004, с. 3-22.
9. Kleiman J. and Iskanderova Z. Technological Aspects of Protection of polymers and
Carbon-based materials in Space. IS on Materials in a Space Environment, Arcachon, France,
5-9 June, 2000, pp. 18-29.
10. Вернигоров К.Б., Чугунова А.А., Алентьев А.Ю., Каригодский А.Р., Новиков Л.С.,
Черник В.Н. Исследование устойчивости гибридных композиций эпоксидное
связующее – силоксан к воздействию атомарного кислорода при лабораторной
имитации полета в ионосфере. Труды 2-й Всероссийской школы-семинара студентов,
аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности
национальной нанотехнологической
сети «Функциональные наноматериалы для
космической техники»: сб. научн. тр./МИЭМ, Москва, 2011, с. 88-91.
11. Атабаев Б.Г., Летин В.А., Лифанова Л.Ф. и др. Влияние плазмы атомарного
кислорода на поверхность и фотоэлектрические свойства солнечных элементов.
Гелиотехника, № 4, 2001, с. 7-12.
12. Панкратова Л.Н., Железникова М.В., Горячев А.Н. Изучение действия излучений на
некоторые полиорганосилоксаны. Журнал физической химии, т. LV, № 7, 1981, с. 17511753.
23
13. Гутова С.К. Об имитационном воздействии ионосферной плазмы на
диэлектрические покрытия космических аппаратов. В сб. Физика структуры и свойства
твердых тел, Куйбышев, КГУ, 1984, 120 с.
14. Letin V.A., Chehovich V.N., Gatsenko L.S. et all. Solar Arrays Based on the Network
Substrate. Proc. 6th European Space Power Conference, Porto, Portugal, 6-10 May 2002
(ESASP-502, May 2002), pp. 623-628.
15. Летин В.А., Байбакова Н.Н., Эвенов Г.Д., Гаценко Л.С. Патент РФ № 2068212 от
06.08.93 г.
16. Летин В.А., Гаценко Л.С. Некоторые аспекты оптической деградации солнечных
батарей на низких околоземных орбитах. Гелиотехника, № 4, 2005, с. 7-15.
__________________
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ НА ЗАЩИТНЫЕ
СТЕКЛА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ И ТРЕХПЕРЕХОДНЫЕ
ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ГЕТЕРОНАНОСТРУКТУРОЙ
Л.С. Гаценко (к.т.н.), Н.Е. Маслякова, М.Б. Каган (д.т.н.)
НПП «Квант»
Л.С. Новиков (д. ф-м. н.), М.С. Самохина
НИИЯФ МГУ
•
Введение
За последнее десятилетие были разработаны солнечные батареи (СБ) нового
поколения на основе трехпереходных фотопреобразователей (ФП3П) со сложной
гетеронаноструктурой InGaP/InGaAs/Ge, которые по эффективности и радиационной
стойкости значительно превосходят кремниевые СБ [1, 2] предыдущего поколения.
С появлением СБ нового поколения возникла необходимость в оценке их
ресурсной деградации, требования к которой ужесточились в связи с ростом
энерговооруженности космических аппаратов и увеличением их срока активного
существования до 15 лет. Поэтому особенно актуальным становится исследование
дестабилизирующих факторов космического пространства, которые не были
достаточно изучены применительно к новым ФП. К таким факторам относятся
поверхностные и внутренние электростатические разряды (ЭСР), обусловленные
электризацией СБ в горячей магнитосферной плазме (ГМП) и воздействием электронов
естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ) соответственно.
Целью настоящей работы явилось исследование воздействия ЭСР на защитные
стеклянные пластины (ЗСП) и ФП3П.
Известно, что ЭСР в СБ возникают при поверхностной и объемной электризации
диэлектриков, используемых в конструкции СБ [3].
Поверхностная электризация наружных диэлектрических материалов СБ
происходит на геостационарной орбите (ГСО) при воздействии горячей
магнитосферной плазмы.
24
Характерные энергии электронов и ионов (протонов) ГМП лежат в диапазоне 1100 кэВ, а значения концентрации частиц составляют 105 - 107 м-3. Однако во время
магнитных возмущений (магнитных суббурь) потоки частиц ГМП возрастают на два
порядка по сравнению со спокойным периодом (~ до 1011 электрон · см-2 · с-1), а
основная доля тока переносится частицами с энергией 1 - 30 кэВ [3].
При поверхностной электризации диэлектрических материалов СБ глубина
проникновения электронов плазмы с характерными энергиями до 50 кэВ составляет
20 - 30 мкм, поэтому глубина локализации возникающего заряда не превышает этой
величины.
В результате взаимодействия СБ с ГМП на ее поверхности образуется
отрицательный электрический заряд, величина которого определяются соотношением
первичных токов электронов плазмы и вторично-эмиссионных токов с поверхности СБ,
включая ток фотоэлектронной эмиссии, вызываемой солнечным излучением.
Так как СБ представляет собой конструкцию с неоднородной структурой и
некоторым количеством диэлектрических материалов в фотогенераторной части и
каркасе, то потенциалы отдельных участков поверхности и открытых элементов
конструкции могут быть различными из-за отличия условий попадания потоков
первичных частиц на эти участки и условий их освещения, а также из-за отличия
эмиссионных свойств материалов поверхности. Происходит так называемое
«дифференциальное» заряжение СБ, при котором между отдельными участками
непроводящей поверхности возникают разности потенциалов.
Именно «дифференциальное» заряжение является основной причиной поверхностных ЭСР, приводящих к деградации СБ и создающих световые, электромагнитные
и акустические помехи бортовым системам космических аппаратов.
Объемная электризация диэлектриков на ГСО возникает при воздействии
электронов ЕРПЗ с энергиями 0,2 - 10 МэВ, проникающих в толщу диэлектриков на
глубину порядка от десятых долей сантиметра до 2 см.
Объемная электризация диэлектриков отличается от поверхностной не только
глубиной локализации внедренного электрического заряда, но также имеет
существенные отличия в физических процессах накоплениях зарядов, потоках
заряженных частиц, приводящих к его накоплению, и во временных характеристиках
процессов [3].
При заряжении в ГМП характерные величины первичных токов составляют
-10
~ 10 - 10-8 А · см-2, время общего заряжения составляют ~ 0,3 - 0,5 с, а дифференциального заряжения – от единицы до десятков минут.
Объемная электризация материалов СБ характеризуется следующими параметрами: ток электронов ~ 10-13 - 10-11 А · см-2, время заряжения составляет несколько
часов. Вторично-эмиссионные токи в этом случае не оказывают влияния на процесс
формирования внедренного объемного заряда. Пороговое значение флюенсов
электронов ЕРПЗ, соответствующих началу возникновения объемных ЭСР, равно 10 10 1011 см-2 и зависит также от свойств диэлектрика, главным образом от его
радиационной проводимости.
Методика экспериментов
Воздействие внешних ЭСР на ЗСП и ФП3П изучалось с помощью стандартной
методики, которая описана в литературе [4, 5] и ранее широко применялась при
аналогичных исследованиях кремниевых ФП и СБ [5, 6].
Она состоит в облучении образцов моноэнергетическим пучком электронов с
энергиями, составляющими среднеэнергетичный компонент спектра электронов ГМП,
25
который вносит основной вклад в электризацию и деградацию СБ от возникновения
внешних ЭСР.
Для получения результатов воздействия ГМП и ЭСР к концу срока активного
существования (САС) СБ, равного 15 годам, была применена также методика
ускоренных испытаний, состоящая в воздействии на образцы плотности потока
первичных электронов J на один-два порядка выше реальных значений на ГСО.
Исследование воздействия поверхностных ЭСР осуществлялись в НИИЯФ МГУ
на специально созданном лабораторном оборудовании на базе стенда электронных
пушек, используемых в составе линейных ускорителей.
Установка обеспечивала облучение образцов потоками электронов, имитирующими воздействие горячей магнитосферной плазмы с энергиями от 10 до 40 кэВ при
плотности тока первичных электронов 1-200 нА/см2.
Исследование образцов на возникновение объемных ЭСР были проведены на
двух высокочастотных линейных электронных ускорителях в НИИЯФ МГУ,
обеспечивающих изменение энергии воздействующих на образцы электронов в диапазоне ~ 0,1 - 10 МэВ при плотности потока электронов 1011 - 1012 электрон · см-2 · с-1 и
флюенсе (1 - 5) · 1014 электрон · см-2.
Параметры электронных пучков и исследуемых образцов в процессе облучения
контролировались с помощью соответствующей диагностической аппаратуры,
включающей систему датчиков и электронно-цифровую систему накопления и
обработки информации.
Температура образцов в нормальных условиях эксперимента составляла от + 20
до + 50° С, а пониженная температура (- 60° С) обеспечивалась с помощью трехкаскадного холодильного агрегатора, построенного на основе элементов Пельтье.
Объектом исследований были следующие образцы:
 лицевые ЗСП из стекла CMG толщиной 0,1 мм с антиотражающим покрытием
MgF2;
 тыльные ЗСП из стекла К-208 толщиной 0,13 мм;
контрольные образцы стекла толщиной 0,5 см (только для иcследований на объемную
электризацию);
 CIC ФП3П, состоящие из одного ФП3П с двумя ЗСП, наклеенными на лицевую и
тыльную поверхности ФП3П;
 фрагмент СБ, состоящий из двух последовательно соединенных CIC ФП3П,
закрепленных на каркасе.
Результаты исследования внешних ЭСР
Тестовые эксперименты показали, что при значениях плотности тока
электронного пучка J = 0,1 – 1 нА/см2, соответствующего реальным параметрам ГМП в
области ГСО [5], электрические разряды в образцах не возникали. Поэтому, прежде
всего, был определен порог появления разрядов в образцах путем постепенного
повышения J. При увеличении J вначале наблюдалось только свечение образцов, а
затем при дальнейшем повышении J появлялись разряды.
На рис. 1 в качестве примера приведены изображения сборки из двух CIC ФП3П
с диодным блоком (а) и образца защитного стекла К-208 (б), установленных в камере
экспериментальной установки. На обоих рисунках видны области слабого свечения,
обусловленного ЭСР.
26
Рис. 1. Сборка из двух ФП3П с диодным блоком (а)
и образца защитного стекла (б) в камере установки.
На рис. 2 показаны изображения ЭСР, возникающих на поверхности CIC ФП3П.
Видно, что области локализации ЭСР примыкают к краям ФП, где возникают наиболее
высокие градиенты потенциала. Конфигурация разрядов отличается для разных случаев, хотя их общий характер приблизительно одинаков.
При облучении во многих случаях наблюдалось повторное возникновение
разрядов в тех же зонах, характеризуемых, по-видимому, пониженной электрической
прочностью. Разряды могут возникать одновременно в нескольких точках поверхности,
причем их частота и интенсивность зависят от конфигурации окружающих проводящих
и непроводящих элементов. Так, для показанной на рис. 1 сборки разряды происходят
между поверхностью защитного стекла ФП3П и металлическими частями сборки. При
установке исследуемых ФП3П и защитных стекол на диэлектрическую подложку,
например из фторопласта, помимо ЭСР с образцов наблюдается возникновение
разрядов и с этой подложки.
Рис. 2. Изображения ЭСР в ФП.
Для исследуемых ЗСП из стекол К-208 порог возникновения разрядов по
плотности тока составлял ~ 5 - 13,5 нА/см2, что выше значений, наблюдавшихся в ряде
других работ [14, 15]. Такое увеличение порога может быть объяснено меньшей
толщиной исследуемых пластин (130 мкм) по сравнению с рассмотренными в
упомянутых работах. Для стекла CMG порог возникновения разрядов достигал
~ 20 - 56 нА/см2, что объясняется тем, что проводимость этого стекла в 2 раза выше чем
у К-208. В области пороговых значений плотности тока частота следования ЭСР
составляла 10-2 - 10-1 Гц, а при увеличении плотности тока она повышалась до 1 - 5 Гц.
27
Так, для стекла К-208 при плотности тока ~ 30 нА/см2 средний период
следования составлял около 2 с. Дальнейшее увеличение тока до ~ 100 - 200 нА/см2
незначительно уменьшало период следования – до ~ 0,5 с. Следует отметить, что порог
потенциала поверхности стекла, при котором происходил разряд, лежал в области 6 9 кВ. Параметры разрядных импульсов представлены на рис. 3. Амплитуда разрядов
составляла от 37,5 до 69,4 В, а длительность разрядных импульсов колебалась от 4
до 8 мкс.
Так как все зарядно-разрядные процессы формируются в ЗСП, которые являются
единственным диэлектриком в фотогенераторной части СБ, то более подробно
исследовались последствия ЭСР в стеклянных образцах с помощью металографического микроскопа Nikon Eclipse LV100D-U (Япония). На рис. 4 показаны
результаты воздействия ЭСР на ЗСП, изготовленных из стекла CMG и К-208 при
различных энергиях E, плотностях J и частотах разрядов f.
На рис. 4 а показана конфигурация разрядных каналов в защитной стеклянной
пластине, изготовленной из стекла CMG. Сеть каналов, параллельных поверхностям
пластины и залегающих на глубине пробега электронов, собирается в центральный
разрядный канал, выходящий на поверхность. Для защитного стекла К-208
наблюдались значительно меньшие по площади фигуры горизонтальных разрядных
каналов, окружающих центральный канал, что объясняется, по-видимому, более
высокой проводимостью стекла CMG по сравнению со стеклом К-208.
28
29
ядные каналы на стеклянных образцах под микроскопом.
Рис. 3 а, б. Характеристики разрядных импульсов.
Образовавшиеся под воздействием ЭСР кратеры располагались по поверхности
стекла хаотично, что связано, по-видимому, с различным местонахождением
неоднородностей структуры, состава, различных включений и т.д., в которых
напряженность локального электрического поля превышает прочность материала.
После нескольких первых разрядов остальные пробои локализовались на уже
поврежденных участках стекла. При этом на поверхности стекла К-208 встречались
одиночные кратеры, а на CMG, в основном, кластеры – группы из нескольких
близкорасположенных кратеров. На некоторых образцах наблюдались сквозные
пробои. Средний размер кратеров составлял от 25 до 250 мкм, а их глубина изменялась
от 15 до 130 мкм.
Другой характерной особенностью последствий ЭСР в образцах ЗСП являлось
появление трещин, идущих от центрального канала (кратера). Образование трещин
было связано в большей степени с качеством исходного стекла, чем с плотностью
потока первичных электронов J. Например, на некоторых ЗСП из стекла CMG трещины
не возникали даже при J = 80 нА/см2 (рис. 4 а, 4 г), а при J = 59,2 нА/см2 (рис. 4 б) и
J = 11,9 нА/см2 (рис. 4 д) они появлялись. С другой стороны, при значениях J,
приближающихся к 200 нА/см2 наблюдались глубокие трещины в образцах обоих
типов (рис. 4 в и 4 е).
С целью определения возможной оптической деградации ЗСП в результате
воздействия ЭСР были измерены коэффициенты пропускания стеклянных образцов в
диапазоне длин волн 300 - 1200 нм на спектрофотометре типа СФ-26.
При измерении коэффициента пропускания в зависимости от длины волны
падающего излучения в спектральной области чувствительности ФП3П на спектрофотометре данные снимаются с площади около 2,5 см2, при этом вся поверхность
образца составляет около 28,5 см2. Поэтому, учитывая неравномерность распределения
кратеров, образованных выходящими на поверхность центральными разрядными
30
каналами, и горизонтальных разрядных каналов по поверхности стеклянных пластин,
было предложено измерить пропускание в местах наиболее сильного повреждения
стекла и на участках, оставшихся «чистыми».
В качестве примера на рис. 5 приведен результат измерений одного из образцов
(стекло CMG, плотность тока при облучении J = 80 нА/см2).
Рис. 5. Коэффициент пропускания стекла CMG, измеренный на разных участках образца.
Для данного образца выявлено, что в области кратеров и разрядных каналов
пропускание снижается на 11 - 16 % в узкой области длин волн в ультрафиолетовой
части спектра, в начале видимой области (вплоть до 600 нм) снижение коэффициента
пропускания лежит в пределах от 2 до 8 %, и далее составляет не более 1 %.
Общий характер изменения коэффициента пропускания на участках с кратерами
и на «чистом» стекле типичен для обоих типов стеклянных пластин, облученных при
разных плотностях тока. При этом интегральное снижение коэффициента пропускания
после облучения составляет 2 % для стекла K-208 и менее 1 % для стекла CMG.
Было исследовано изменение вольт-амперных характеристик образцов ФП3П в
зависимости от количества возникших в образцах электрических разрядов при
облучении ФП3П электронами с энергией 30 кэВ как с лицевой, так и с тыльной сторон
при различных плотностях тока первичных электронов.
Результаты измерений показали, что при облучении с тыльной стороны
изменений электрических параметров образцов не происходило вплоть до 100
разрядов. При J = 66 нА/см2 и 100 разрядах наблюдалось лишь незначительное
изменение рабочего тока порядка 1 % при рабочем напряжении.
При облучении с лицевой стороны ухудшения электрических параметров
образцов не наблюдалось при воздействии до 70 разрядов. Небольшое изменение
рабочего тока, равное 1,3 %, и напряжения холостого хода, равное 0,6 %, было
зафиксировано после 70 разрядов (J = 15 нА/см2). После облучения фрагмента СБ
электронами с энергией 40 кэВ и J = 100 нА/см2, рабочий ток изменился в пределах
4 %, что можно объяснить превышением J на 2 порядка по сравнению с космосом.
Однако при воздействии на лицевую сторону образца ФП3П 120 разрядов при
J = 15 нА/см2 произошло значительное (до 12 %) ухудшение рабочего тока. Остальные
характеристики изменились незначительно: ток короткого замыкания на 0,7 %,
31
напряжение холостого хода на 1,3 %. Вольт-амперные характеристики (ВАХ) данного
образца до и после облучения приведены на рис. 6.
Рис. 6. Вольт-амперные характеристики образца ФП3П.
Исследование лицевой поверхности образца ФП3П с помощью микроскопа
выявило следующую картину разрядных каналов в защитном стекле CMG: наличие
большого количества горизонтальных разрядных каналов при малом (2 - 3) числе
кратеров на поверхности стекла (рис. 7). Один из кратеров, самый крупный, имел
размеры 450 х 150 мкм, глубину порядка 100 мкм и площадь 0,04 мм2. На рис. 7 видно,
что от кратера отходят две вертикальные глубокие трещины, доходящие до краев
ФП3П, и еще три зародыша трещин. В месте пересечения верхней трещины с
контактной сеткой образца произошло разрушение материала контакта.
Таким образом, поскольку глубина кратера соизмерима с толщиной ЗСП,
наблюдаемое существенное ухудшение ВАХ ФП3П (рис. 6) можно объяснить в
основном повреждением p-n-переходов множественными ЭСР. Повреждение контактной сетки также может внести свой вклад в изменение ВАХ, о чем свидетельствует
небольшое уменьшение напряжения холостого хода.
32
Рис. 7. Один из кратеров на
лицевой стороне образца ФП3П
под микроскопом.
Как было показано выше, интегральное пропускания стекла CMG в результате
воздействия ЭСР уменьшается в среднем на 1 %, поэтому вклад оптической деградации
в общее ухудшение ВАХ рассматриваемого образца невелик. Характер изменения
спектральной характеристики образца подтверждает наше предположение о
повреждении всех трех p-n-переходов образца.
Так, из спектральной зависимости внешнего квантового выхода (рис. 8) следует,
что ухудшились свойства всех трех переходов ФП, особенно резко у третьего перехода.
Изменение плотности фототока верхнего перехода составляло 7 %, среднего 7,5 %, а
нижнего 49 %, что свидетельствует о повреждении p-n переходов в локальных
участках.
Необходимо подчеркнуть, что последние данные получены в лабораторных
условиях при плотностях электронного тока, значительно (в 15 раз) превышающих
реальные значения в горячей магнитосферной плазме. Поэтому их следует рассматривать как предельные оценки для «наихудшего» случая наземного моделирования.
Несмотря на фактически полную деградацию нижнего германиевого перехода,
фотопреобразователь остается в рабочем состоянии. Это объясняется тем, что вклад
фототока германиевого перехода в общий фототок ФП очень мал (рис. 9), поэтому
после деградации нижнего перехода фотопреобразователь работает как двухпереходный. В этом состоит огромное преимущество ФП3П перед кремниевыми однопереходными фотопреобразователями.
33
Рис. 8. Спектральная характеристика образца
ФП3П до (сплошная линия) и после
(пунктирная линия) облучения электронами.
Рис. 9. Вклад каждого из
переходов ФП3П в общую
вольтамперную характеристику.
Результаты исследования возможности возникновения внутренних ЭСР в
условиях воздействия электронов ЕРПЗ
В процессе облучения образцов с помощью акустических и электромагнитных
сенсоров, располагавшихся вблизи образцов, было зафиксировано возникновение
внутренних ЭСР (ВЭСР). Исследование облученных образцов показало, что все
зафиксированные ЭСР происходили только в контрольных образцах большой
толщины.
34
Рис. 10. Разрядные фигуры в круглом контрольном стеклянном образце.
Один из примеров возникновения разрядов в круглом контрольном образце
представлен на рис. 10, где показаны разрядные фигуры при различных условиях
освещения образца.
На рис. 11 показаны различные случаи возникновения разрядов в контрольных
образцах кубической формы. Видно, что разрядные фигуры отличаются формой и
степенью ветвления каналов. Эти характеристики разрядов влияют на оптические и
механические свойства образцов.
На облучавшихся в описанных условиях образцах ФП возникновение ВЭСР не
было зарегистрировано даже при пониженных температурах. При этом, как уже
указывалось выше, образцы ЗСП облучались даже при температуре жидкого азота, что,
согласно имеющимся данным, увеличивает значение накопленного заряда в несколько
раз. И в этом случае возникновение ВЭСР в стеклах не было зарегистрировано.
Рис. 11. Разрядные каналы в контрольных стеклянных образцах кубической формы.
35
Контрольные фотографии поверхности облучавшихся ФП представлены на
рис. 12. Видно, что на поверхности просматриваются технологические дефекты
различной формы, однако характерные разрядные фигуры не наблюдаются.
Исследование необлученных ФП показало, что на их поверхности имеются
аналогичные исходные дефекты.
Рис. 12. Фотографии поверхности ФП.
Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать вывод,
что эффекты объемной электризации под действием электронов ЕРПЗ не приводят к
возникновению электроразрядных явлений в исследуемых образцах ФП3П и ЗСП.
Выводы

При значениях плотности тока электронного пучка J = 0,1 - 1 нА/см2, соответствующих реальным параметрам горячей плазмы в области геостационарной орбиты,
электрические разряды в исследуемых образцах не возникали.

Разряды в стеклянных пластинах появлялись при значениях J от 5 - 13,5 нА/см2
и более и не изменяли интегрального коэффициента пропускания более чем на 2 % для
стекла К-208 и 1 % для стекла CMG.

Для стекла CMG определены следующие преимущества по сравнению со
стеклом К-208:

более высокий порог возникновения ЭСР,

меньшая частота следования разрядов,

меньшая оптическая деградация.

Эффекты поверхностной электризации и связанные с ними электростатические
разряды ухудшали рабочий ток ФП3П в среднем на 1 %.

При воздействии электронов ЕРПЗ на все образцы ФП3П и защитные стекла не
было зафиксировано возникновение объемных ЭСР.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что при
воздействии внешних и внутренних ЭСР на трехпереходные фотопреобразователи с
защитными стеклами они сохраняют свою работоспособность в течение всего срока
активного существования.
36
Литература
1. Коротеев А.С., Кошеляев Е.М., Решмин А.И. Космическая электроэнергетика
сегодня и завтра. Известия Академии Наук, Энергетика, № 5, 2001, с. 3-16.
2. Fodor J.S., Gelb S.W., Maassarani Z.,Powe J.S., Schwartz J.A. Analysis of Triple Junction
Solar Arrays After Three Years in Orbit. 4th WCPEC, May 7-12, 2006, Hawaii. Proc. pp. 1955
- 1958.
3. Модель космоса, 8-е издание, т. 2, Воздействие космической среды на материалы и
оборудование космических аппаратов. Под ред. проф. Л.С. Новикова. М.: КДУ, 2007,
1143 с.
4. Летин В.А. Проблемы электризации солнечных батарей космических аппаратов.
Космонавтика и ракетостроение № 1 (30), 2008, с. 43 - 5.
5. Антонов В.М. Моделирование электризации космических аппаратов в лабораторных
условиях. В кн. Модель космоса, т.2, Воздействие космической среды на материалы и
оборудование космических аппаратов. Под ред. проф. Л.С. Новикова. М.: КДУ, 2007,
с. 767-780.
6. Летин В.А. Функционирование солнечных батарей в космической среде. В кн.
Модель космоса, т. 2, Воздействие космической среды на материалы и оборудование
космических аппаратов. Под ред. проф. Л.С. Новикова. М.: КДУ, 2007, с. 561-594.
__________________
37
ПРОБЛЕМЫ, ПОИСКИ, РЕШЕНИЯ
ПРОБЛЕМЫ, УСПЕХИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФОТОЭНЕРГЕТИКИ
И.С. Оршанский
НПП "Квант"
•
Фотоэнергегетика заняла прочное и важное место в автономной электроэнергетике и, несомненно, будет вносить все более весомый вклад в общую энергетику.
Достоинства фотоэлектрического способа получения энергии многочисленны:
- используется возобновляемый первичной источник энергии с неисчерпаемым
ресурсом;
- производство электроэнергии практически не ведет к изменению климата, т.к. не
вызывает эмиссию вредных газов и твердых частиц в атмосферу, не расходуется
кислород, не выделяется тепло;
- используется прямой способ преобразования энергии в электрическую; безмашинный
способ преобразования, в котором отсутствуют вращающиеся и движущиеся
механизмы, обеспечивает высокую надежность работы, не создает акустических и
вибрационных воздействий на обслуживающий персонал и природу;
- обеспечивается энергетическая независимость любой страны, т.к., в отличие от
углеводородного топлива, солнечное излучение, хоть и в разной степени, доступно во
всех странах, и фотоэлектрические станции (ФЭС) способны работать в любом месте
Земли;
- ФЭС монтируются быстро и просто; затраты на их техническое обслуживание
незначительны, не нужен высококвалифицированный персонал; при сооружении
фотоэлектрических установок (ФЭУ) в городских условиях модули солнечных батарей
(СБ) могут встраиваться в стены и крыши зданий и служить архитектурным
украшением;
- ФЭС имеют малую инерционность, обеспечивая легкость регулирования режимов,
что очень важно в критические моменты работы сети.
Главный принципиальный недостаток всей солнечной энергетики – зависимость
вырабатываемой энергии от времени суток, погодных условий и сезона. Чтобы
обеспечить потребителя постоянным энергоснабжением в состав автономных ФЭУ,
необходимо включать аккумуляторы или резервные генераторы. А использование в
существующих энергосетях большого количества крупных ФЭС вообще невозможно. В
периоды низкой освещенности, в вечернее время и ночью всю нагрузку должны брать
на себя "традиционные" электростанции (ЭС), а регулировать мощность таких ЭС
допустимо лишь в небольших пределах. По этой причине общая мощность ФЭС не
может превышать 10 - 20 % мощности всей энергосети [1].
Второй серьезный недостаток – низкая плотность потока солнечного излучения
− ведет к необходимости собирания солнечной энергии с больших площадей. Крупные
ФЭС будут занимать обширные территории – 2,5 - 3,0 га/МВт мощности [2]. В странах,
где стоимость земли высока, найти площадку для строительства ФЭС совсем не просто.
38
Третий недостаток − стоимость получаемой энергии значительно выше, чем в
традиционной энергетике. При текущем бурном развитии отрасли этот недостаток,
скорее всего, будет устранен в обозримое время (10 - 12 лет): стоимость фотоэлектрических модулей ежегодно снижается на 8 - 14 %, и по прогнозам специалистов эта
тенденция сохраниться до 2020 г. [3].
Темпы развития фотоэнергетики
Фотоэнергетика на сегодня – самая быстрорастущая отрасль электроэнергетики
в мире. В начале 80-х годов мощность всех ФЭУ не превышала 4 МВт. К концу 2008 г.
по данным Международного Энергетического Агентства (МЭА), членами которой
являются 28 стран, она составляла 13,1-14,7 ГВт [4], в 2009 г. добавились еще 3,9 ГВт.
К концу 2009 г. по данным Европейской ассоциации фотоэлектрической промышленности общая мощность ФЭУ только на территории Европы превысила 20 ГВт.
Ведущие страны мира в области фотоэнергетики − Испания, Германия, Италия,
США, Южная Корея и Япония. В этих странах в 2008 г. установлено 96 % всех ФЭУ в
мире. В странах, состоящих членами МЭА, это были ФЭУ, подключенные к
электросетям (99 %) [5].
Фотоэлектрическая промышленность − процветающая отрасль производства.
Годовые темпы развития мирового рынка в 1990 - 97 гг. составляли 12 - 15 %, после
1997 г. до 25 - 35 %. С 2005 г. ежегодный прирост составлял около 50 %, а в 2008 г. –
82 %. В станах, входящих в МЭА, товарооборот этой отрасли в 2008 г. составил около
40 млрд. долларов США, а во всем мире было изготовлено фотоэлектрических изделий
общей мощностью 7,1 ГВт на 50,7 млрд. долларов США.
Существующая специализация в поставках на мировой рынок: солнечный
кремний – США; слитки – Великобритания; пластины – Норвегия; солнечные элементы
(СЭ) – Австралия, Япония, Малайзия, США; фотоэлектрические модули – Австрия,
Канада, Великобритания, Япония, Швеция; технологическое оборудование –
Швейцария.
В 2008 г. средняя цена фотоэлектрических модулей в станах МЭА составила 4,0
долларов США, снизившись за год на 9 % [5]. Текущие мировые цены на модули
можно найти в Интернете [6]. Стоимость продукции китайских фирм на треть ниже
стоимости продукции европейских.
Средняя цена на подключенную к электросети ФЭУ в 2008 г. – 6,9 долл./Вт (6,2 7,6 долл./Вт). Автономные ФЭУ вдвое дороже [5].
Фотоэлектрическая промышленность уже имеет развитую инфраструктуру.
Помимо компаний, выпускающих СЭ и модули солнечных батарей (СБ), а также
предприятий по проектированию и сооружению ФЭУ и ФЭС, образованы предприятия
по производству полупроводниковых материалов специально для СЭ. Электротехническая промышленность выпускает широкий ассортимент инверторов различной
мощности, регуляторов режима максимальной мощности СБ, преобразователей
постоянного тока в переменный и другой аппаратуры для ФЭУ и ФЭС. Кабельная
промышленность выпускает кабели, предназначенные специально для ФЭС. Большое
число заводов изготавливает опорные конструкции для СБ. В промышленности
строительных материалов возникло направление по изготовлению строительных
блоков со встроенными модулями СБ. Это могут быть стеновые блоки и покрытия для
крыш. Создано много фирм по обслуживанию работающих ФЭС, и обучению
обслуживающего персонала. Страховые компании разработали нормы страхования
ФЭУ. Выпущены брошюры по соблюдению пожарной безопасности в домах с ФЭУ.
39
Законодательно решены правовые вопросы наследования ФЭУ, расположенных на
свободной территории. Существуют многочисленные предприятия, занимающиеся
переработкой отслуживших срок фотоэлектрических модулей.
В станах членах МЭА в фотоэлектрической отрасли в 2008 г. было занято 111
тысяч человек [5]. Только в Германии (на конец 2009 г.) было занято около 60 тысяч
человек, работает более 3 тысяч мелких специализированных фирм, занимающихся
монтажом небольших ФЭУ, а общее число фирм, связанных с фотоэнергетикой
достигает 15 тысяч.
Направления развития фотоэнергетики
Впервые фотоэлектрический метод преобразования энергии нашел практическое
применение для энергопитания космических аппаратов, затем в качестве источников
автономного питания устройств промышленного назначения (систем связи, навигации,
сигнализации, телеметрии, катодной защиты трубопроводов и т.д.). Впоследствии ФЭУ
стали использовать для освещения и автономного обеспечения электроэнергией
бытовой аппаратуры небольшой мощности в отдаленных от сетей и труднодоступных
местах, а также в зонах отдыха.
Ныне фотоэнергетика развивается по четырем направлениям:
1. ФЭУ космического назначения.
2. ФЭУ, ФЭС и локальные сети для автономного энергообеспечения частных
хозяйств и небольших поселений, а также для электропитания расположенных в
полевых условиях устройств промышленного назначения.
3. Отдельные ФЭУ частных владельцев, поставляющие избытки энергии в
электрическую сеть.
4. Крупные ФЭС, подающие энергию в центральные сети.
Космическое направление. ФЭУ до сих пор остаются самым надежным
средством обеспечения электроэнергией космических аппаратов, работающих в
ближнем космосе. Главный электрогенератор Международной космической станции из
восьми крыльев СБ длиной по 40 м развивает мощность около 0,5 МВт. Получаемая в
космосе электроэнергия идет только на собственные нужды космических объектов.
Международная космическая
станция
Автономная фотоэнергетика. Использование небольших ФЭУ продолжает
оставаться незаменимым в развивающихся странах, где до сих пор около 1 млрд.
человек живет без электроснабжения. Эти страны в основном расположены в зоне
низких широт, огромные ресурсы солнечного излучения позволяют там эффективно
работать ФЭУ для обеспечения освещения, для питания холодильников, водяных
40
насосов и т.п. В настоящее время такая тенденция сохраняться. Большую помощь в
этом оказывают развитые страны западной Европы, которые поставляют маломощные
ФЭУ в страны Африки часто в качестве гуманитарной помощи. При автономном
энергообеспечении с помощью ФЭУ требуется наличие либо достаточно емкого
аккумулятора электроэнергии, либо запасного генератора на основе традиционных
энергоносителей, способного оперативно восполнять недостаток энергии от ФЭУ. Для
маломощных установок обычно используют дизель-генераторы.
Третье направление в последнее время широко развивается в странах
Европейского союза, где законодательство (принятое в начале 90-х годов) разрешает
подключать частные электрогенераторы на основе возобновляемых источников к
центральным сетям. Частные домовладельцы устанавливают у себя ФЭУ, СБ которых
монтируют на крышах своих домов. Ночью и в пасмурную погоду потребляется
энергия из сети. В солнечную погоду, если собственное потребление энергии
незначительно, ее избыток отдается в сеть. Установки снабжены счетчиками отданной
в сеть электроэнергии. Поскольку ФЭУ − дорогое оборудование, для стимулирования
его применения правительства многих стран в прежние годы выдавали дотации более
50 % стоимости ФЭУ. В настоящее время в Европе система стимулирования
изменилась. Электроэнергия, поданная владельцем ФЭУ в сеть, оплачивается в 6 - 10
раз выше, чем стоимость потребленной из сети энергии. Более того, в некоторых
странах платят и за электроэнергию, использованную для собственных нужд, правда,
по меньшему тарифу.
ФЭУ устанавливаются не только в домах частных владельцев, но и в зданиях
крупных предприятий, государственных учреждений, спортивных сооружений. В
2008 г. СБ мощностью 222 кВт установлена на крыше собора Святого Петра в
Ватикане. СБ располагают и на крышах зданий, и на стенах и даже делают окна из
полупрозрачных пленочных СБ, служащих одновременно и защитой от света. Слияние
архитектуры и энергетики понемногу становится мировой тенденцией и может со
временем стать элементом культуры.
Четвертое направление – строительство крупных ФЭС стало бурно
развиваться в последние годы. До середины 2000 гг. возводили единичные ЭС
мощностью не более 10 МВт. В настоящее время по всему миру сооружают ФЭС
мощностью в десятки мегаватт. Так в октябре 2008 г. завершено строительство ФЭС
мощностью 34 МВт в Испании (Arntdo). В декабре 2008 г. заработала ФЭС Waldpolenz
мощностью 40 МВт в Германии под Лейпцигом. Она будет производить около 40
миллионов кВт ∙ ч электроэнергии в год. Станция построена на территории бывшего
военного аэродрома, который использовался советскими войсками. В этом же году
пущена в эксплуатацию ФЭС Amareleja мощностью 46 МВт в Португалии занимающей
территорию 250 га. Ее СБ состоит из 262 тыс. модулей, расположенных на 2520
панелях, каждая из которых имеет систему слежения за Солнцем. Стоимость ФЭС –
261 млн. евро. В 2009 г. в Германии открылась ФЭС Lieberose мощностью 53 мВт, а
под г. Котбус завершено строительство ФЭС мощностью 63 МВт. В Австралии
планируется сооружение ФЭС мощностью 160 мВт. В Калифорнии (США) группа
компаний во главе с Pacific Gas планирует к 2013 г. построить ФЭС мощностью
800 МВт (1,65 млрд. кВт ∙ ч/год), из которых 550 мВт будут обеспечиваться СБ из
тонкопленочных СЭ. Китайская компания CGN SEDC и американская компания First
Solar Inc. приступили к сооружению в китайской провинции Внутренняя Монголия
ФЭС, которая к концу строительства в 2019 г. должна иметь мощность 2 ГВт.
Программы развития фотоэнергетики разработаны во всех развитых странах.
Администрация президента Обамы ввела новую программу и пакет финансовых
41
стимулов для развития возобновляемой энергетики на ближайшие 8 лет. Вероятно,
США станет крупнейшим в мире рынком солнечной энергетики в течение десяти лет.
Во многих странах работают широкомасштабные программы, предусматривающие размещение СБ на крышах зданий, что представляется наиболее оптимальным
вариантом, требующим минимальных затрат на установку, подключение и
эксплуатацию, отсутствует необходимость аккумуляторов. Так в Германии в 1999 году
была принята программа «100 тысяч крыш», в США в 1997 году была провозглашена
программа «Миллион солнечных крыш», в Японии осуществлялась программа «70
тысяч крыш». Подобные программы выполняются и в других странах: Испании,
Нидерландах, Италии, Великобритании. В Австралии по инициативе правительства
предполагается к 2013 г. создать четыре «Солнечных города».
Необходимо отметить, что в Западной Европе, Японии и США развитие
альтернативной энергетики щедро финансируется не столько по экологическим
причинам, сколько в связи с необходимостью энергетической независимости. Европа –
крупный импортер газа, США – нефти. По словам президента Обамы, перед
американской экономикой стоит выбор, или страна остается крупнейшим импортером
нефти или становится мировым экспортером чистой энергии. В Швейцарии программа
внедрения генераторов на основе возобновляемых источников носит название «За
энергонезависимую Швейцарию».
Конструкция ФЭУ и ФЭС
В фотоэлектрических генераторах СЭ размером до 200 х 200 мм, объединяют в
модули, обычно размером не более 1 х 2 м и мощностью не более 250 Вт, размещаемые
в раме и имеющие герметичную защиту. В последнее время налажен выпуск модулей и
в бескаркасном исполнении. Гарантийный срок службы модулей сейчас составляет
25 лет, в тропическом климате – 20 лет. Некоторые модули имеют встроенный
инвертор.
Модули могут устанавливаться на крышах и стенах домов или, смонтированные
на плоских панелях, размещаться на отдельных опорах непосредственно на земле. При
монтаже СБ на крыше здания модули закрепляются на металлических опорных
конструкциях. При монтаже СБ крупных ФЭС на одной панели монтируют 9 - 16
модулей, при этом каждую панель устанавливают на своей опорной конструкции. В
зависимости от выбранного проекта может быть несколько вариантов опорной
конструкции для панели: стационарная, следящая за солнцем по одной оси, и
оснащенная двухосевой системой слежения. Каждый вариант имеет свои достоинства и
недостатки. В странах, где количество пасмурных дней больше и прямой поток
солнечного излучения невысок, преобладает рассеянное излучение, и экономически
более выгодно использовать стационарные опоры, поскольку они дешевле, не имеют
движущихся механизмов, а обслуживание заключается лишь в содержании в чистоте
поверхности модулей. В странах с жарким климатом, где количество ясных дней
больше и преобладает прямой поток, выгоднее использовать системы слежения. В
2010 г. немецкая компания «Garder» разработала конструкцию системы слежения по
двум осям для панелей площадью 70 м2. Системами слежения по двум осям должны
оснащаться и все СБ с модулями, имеющими мощные концентраторы излучения,
которыми снабжаются все СБ из дорогих СЭ, т.к. они позволяют значительно сократить
количество используемых СЭ и снизить общую стоимость. Концентраторы бывают
самых разных видов, из которых наиболее распространены в настоящее время
42
концентраторы в виде плоских линз Френеля, штампованных из пластических
материалов.
Совокупность всех используемых модулей представляет собой СБ. СБ крупных
ФЭС занимают территории из многих сотен гектар земли. Энергия таких ФЭС подается
в электрическую сеть. Поскольку СБ генерируют постоянный ток, используются
инверторы для преобразования его в переменный ток соответствующего напряжения и
частоты, согласованный с параметрами сети. В 2009 году немецкая компания Padcon
GmbH наладила выпуск инверторов мощностью 2,5 МВт. В условиях непрерывно
меняющегося в течение дня потока солнечного излучения и температуры для
оптимизации выходной мощности СБ применяют регуляторы режима максимальной
мощности, обеспечивающие работу СБ всегда при напряжении, соответствующем ее
максимальной мощности в конкретных условиях. Автоматическая система управления
отключает СБ от инвертора в аварийных ситуациях и при снижении облученности до
порогового значения.
Номинальная мощность ФЭС (за вычетом потерь 10 - 12 % в преобразовательной аппаратуре и системе управления) определяется мощностью СБ. Энергетические
параметры фотоэлектрических модулей оценивают в установленных международными
нормативами стандартных условиях: облученности 1000 Вт/м2 при спектре,
соответствующим спектру солнечного излучения при атмосферной массе 1,5;
температура − 25о С. Эти условия на средних широтах бывают в летний полдень при
ясном небе, поэтому номинальная мощность именуется «пиковой». Реально СБ
работает большую часть времени при более низких уровнях освещения, и
энергопроизводительность ФЭУ зависит от конкретного места ее эксплуатации, а также
от используемых СЭ и конструкции СБ.
В Германии ФЭУ с кремниевыми СЭ и двухосевой системой слежения имеют
удельную энергопроизводительность около 1250 кВт · ч на 1кВт мощности (пиковой).
В Испании при тех же параметрах – 2000 - 2250 кВт · ч/кВт. В Италии эксперимент,
специально проведенный для сравнения различных вариантов, показал следующие
данные: ФЭУ из модулей на основе кристаллического кремния с КПД 11 % при
двухосевой системе слежения обеспечивают удельную электропроизводительность
1940 кВт · ч/кВт, а из таких же модулей установленных стационарно с наклоном 30° 1420 кВт · ч/кВт. Этот параметр для модулей из кристаллического кремния с концентратором, имеющих КПД 14 %, равен 1480 кВт·ч/кВт, а при использовании модулей на
основе аморфного кремния с КПД 6 %, установленных стационарно с наклоном 20° −
1315 кВт · ч/кВт [7]. Использование двухосевой системы слежения дает прирост энергии на 35 - 40 %, по сравнению со стационарной. (В зарубежной фотоэлектрической
литературе для оценки удельной энергопроизводительности используют величину
«Performance Ratio» – PR с единицей измерения в часах; в отечественной электроэнергетике узаконен термин «показатель использования установленной мощности» с
единицей измерения в часах).
Солнечные элементы
Энергетические параметры непосредственно СБ зависят, главным образом, от
характеристик используемых СЭ. В настоящее время для коммерческих СБ применяют
СЭ следующих типов:
- на основе кремния - монокристаллического, мультикристаллического (зерно
более 1 мм), поликристаллического (зерно 1 - 1000 мкм), микрокристаллического
43
(зерно менее 1 мкм), микроморфного (микрокристаллического и аморфного) и
аморфного (каскадные);
- на основе диселенида меди-индия-галлия;
- на основе теллурида кадмия;
- каскадные (трехпереходные) СЭ на основе InGaP/GaInAs/Ge.
В 2007 году около 90 % модулей СБ изготовлено из кристаллического кремния.
СЭ на основе монокристаллического кремния имеют КПД более 19 % (Sun Power Corp.США, Centrotherm Photovoltaic AG - Германия), а лабораторные образцы – до 24,2 %,
но сегодня в наземной энергетике они применяются мало. Промышленные образцы из
мультикристаллического кремния имеют КПД 17,7 % (средний КПД СЭ размером 156
х 156 мм толщиной менее 150 мкм, выпускаемых фирмой Schott Solar AG); лабораторные образцы – 21 %. Промышленные образцы из поликристаллического кремния –
КПД 16,9 % (японская компания Kyocera); лабораторные образцы – 18,9 % (компания
Mitsubishi Electric Corp.). Основной недостаток кристаллических СЭ – большой расход
дорогого кремния, большая часть которого играет роль пассивной подложки.
Аморфный кремний имеет более высокий коэффициент оптического
поглощения, и из него можно создавать дешевые тонкопленочные СЭ. Пленки наносят
на подложки из металлической фольги, например, из нержавеющей стали, или на
подложки из металлизированной полимерной пленки. Использование гибких подложек
позволяет осуществить технологию массового производства. СЭ из аморфного кремния
имеют серьезный недостаток – деградацию под воздействием солнечного излучения.
Поэтому при рассмотрении параметров этих СЭ используют данные, полученные после
светового облучения в течение не менее тысячи часов. КПД промышленных СЭ на
основе аморфного кремния обычно не превышает 10 %, лабораторные образцы имеют
КПД до 13 %.
Многокомпонентные полупроводниковые соединения со структурой халькопирита (в особенности диселенид меди-индия-галлия – Cu (In, Ga)Se2 позволяют
создавать недорогие пленочные СЭ с высоким КПД. Эти материалы обладают близкой
к оптимальной шириной запрещенной зоны, высоким коэффициентом оптического
поглощения, хорошей технологичностью. СЭ имеют высокую стабильность и высокую
радиационную стойкость (в 50 раз выше, чем у СЭ из монокристаллического кремния).
КПД промышленных образцов составляет 15 - 16 %, рекордное значение лабораторного
образца – 20,1 %. Себестоимость модулей СБ при производстве 60 МВт в год около
0,65 - 0,80 долл./Вт. Рекордное КПД модуля размером 30 х 30 см – 15,1 % (немецкая
фирма Avancis). В настоящее время СБ из этих СЭ все активней используют в наземной
энергетике. КПД СЭ на основе другого халькопирита-дисульфида меди-индия в
коммерческом варианте составляет 8 - 12 %.
Более широко начинают использоваться в фотоэнергетике и СБ, собранные из
тонкопленочных СЭ на основе теллурида кадмия (CdTe),. В чистом виде теллур и,
особенно, кадмий очень токсичны. Теллурид кадмия обладает оптимальной шириной
запрещенной зоны, высоким коэффициентом оптического поглощения и позволяет
получать СЭ с хорошими характеристиками. Лучшие лабораторные образцы СЭ имеют
КПД 16,7 %. Промышленные образцы модулей имеют КПД 10 % и удельную
стоимость 1 евро/Вт [8]. ФЭУ с СБ на основе CdTe в южной Европе окупаются за один
год, в то время как ФЭУ с использованием поликристаллического кремния за полтора
года. ФЭС Lieberose в Германии мощностью 53 МВт имеет СБ из СЭ на основе CdTe
американской компании First Solar. В настоящее время First Solar строит новые заводы
по изготовлению СЭ на основе CdTe в Германии, Франции и Малайзии и к 2012 г.
доведет общую производительность с нынешних 1,3 ГВт до 2,1 ГВт. Мощность завода
44
по изготовлению модулей во Франкфурте на Одере к 2012 г. будет увеличена с
нынешних 233 до 446 мВт.
Многопереходные (каскадные) СЭ представляют собой конструкцию
расположенных один под другим элементов таким образом, чтобы излучение с длиной
волны, большей, чем спектральное положение края основной полосы поглощения
верхнего СЭ, проходило через него и поглощалось в расположенном снизу другом СЭ,
созданном на основе полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны.
Трехпереходные СЭ на основе InGaP/GaInAs/Ge обладают уникальным на сегодняшний
день КПД. Так германский Институт солнечной энергетики создал СЭ для
концентрированного солнечного излучения, который при 450-кратной концентрации
показал КПД 41,1 % [9]. Фирма Spectrolab (США) в августе 2009 г объявила о
достижении КПД 41,6 %. СЭ чрезвычайно дорогие и в настоящее время применяются,
в основном, для энергопитания космических аппаратов. (Стоимость этих СЭ в 2008 г.
составляла 130 тысяч долларов за 1 м2, в то время как стоимость кремниевых была 300
долларов за 1 м2). Для наземной энергетики экономически целесообразным может
быть их использование с концентраторами солнечного излучения в странах, где высоки
значения прямого потока солнечного излучения. Опытные наземные установки с СБ на
основе InGaP/GaInAs/Ge с концентраторами успешно опробованы и в России [10]. ФЭС
высокой мощности, которую планируют построить на севере Австралии, будет
создаваться из СБ с СЭ на основе InGaP/GaInAs/Ge с концентраторами излучения.
Пути совершенствования фотоэнергетики
На сегодняшний день себестоимость электроэнергии, получаемой на ФЭС, выше
ее себестоимости на ЭС традиционного типа (ТЭС, ГЭС, АЭС), что связано с высокими
капитальными затратами. Перед фотоэнергетикой стоит задача добиться конкурентоспособности с традиционными ЭС. Для этого необходимо выйти на следующие
критерии [11]:
1. КПД ФЭС в целом должен быть не менее 25 %.
2. Срок службы должен составлять 40 лет.
3. Стоимость установленного киловатта пиковой мощности не должна превышать 2 тыс. долларов.
Повышения КПД и снижения стоимости кремниевых СЭ можно добиться за счет
более совершенных конструкций и тонких технологий. Стоимость кремниевых пластин
может быть снижена путем использования новых энергосберегающих способов
очистки металлургического кремния при получении кремния-сырца солнечного
качества, снижения потерь кремния в процессе выращивания и получения пластин, а
также за счет снижения толщины и увеличения размеров пластин.
Снижение толщины пластин (менее 300 мкм) в сочетании с созданием на
тыльной стороне изотипного перехода и контактной сетки позволяет получать СЭ с
двухсторонней чувствительностью, у которых КПД при освещении с тыльной стороны
лишь на 10% меньше, чем при освещении с лицевой стороны. Такие СЭ давно и
успешно работали в космосе. Наземные СБ из двухсторонних СЭ способны
использовать солнечное излучение, отраженное от поверхности почвы и снега на ее
тыльную сторону. Могут быть также использованы специальные отражатели,
направляющие излучение на тыльную сторону. Пятилетний эксперимент с
двухсторонними модулями СБ на ФЭУ мощностью 6 кВт [12] показал, что
двусторонняя СБ вырабатывает энергии примерно на 7 % больше, чем односторонние.
45
Использование тыльного концентратора дает прирост 35 %. Полагают, что КПД СЭ из
кремния будет доведено в лаборатории до 30 %, в промышленности до 25 %.
Ведутся исследования по разработке следующего поколения СЭ, использующих
новые физические принципы, материалы и структуры [11]. Основные усилия
направлены на более полное использование всего спектра солнечного излучения и
полной энергии фотонов. Для этого разрабатываются:
 многопереходные СЭ из полупроводников с различной шириной запрещенной
зоны;
 СЭ с переменной шириной запрещенной зоны;
 СЭ с примесными энергетическими уровнями в запрещенной зоне;
 СЭ, содержащие покрытия, которые преобразуют излучение той области
спектра, где СЭ нечувствителен, в излучение с длиной волны, к которой СЭ
восприимчив.
Новые подходы позволят в ближайшие годы увеличить КПД каскадных СЭ из
полупроводниковых материалов на основе химических элементов 3 и 5 группы в
лаборатории до 45 %, в производстве до 30 %. Например, предложен четырехпереходный СЭ со структурой InGaP/GaInAs/GaIn(NAs)/Ge. Соединение Ga0,97 In0,03 N0,02 As0,9
имеет ширину запрещенной зоны 1 эВ. При создании перехода из этого материала
необходимо вводить сверхрешетку. Другой вариант четырехпереходного СЭ – структура ZnTe/ZnCd(SeTe)/AlGa(AsSb)/GaSb из менее дорогих материалов. Прорабатываются варианты пятипереходных СЭ. Использование концентрированного излучения
позволяет не только экономить полупроводниковые материалы, но и повысить КПД
СЭ.
Разработка СЭ с люминесцентными покрытиями, а также с примесными
уровнями [13] пока не привела к заметным успехам в повышении КПД.
Другое направление для снижения стоимости ФЭУ – создание СЭ с невысоким
КПД, но дешевых. Продолжаются работы по совершенствованию тонкопленочных СЭ
из кремния. Изготовлены модули мощностью 85 Вт из каскадных СЭ микрокристалллический/аморфный кремний с КПД 7,7 %; КПД отдельных СЭ – более 10 %. Расход
кремния для таких СЭ – 0,4 г/Вт, в то время как для кристаллических он составляет 10 12 г/Вт.
Ведутся разработки недорогих СЭ на основе фотоэлектрохимических преобразователей. Создана разновидность этих СЭ, в которых слой электролита заменен на слой
из органического материала, используемый как «проводник дырок». Теперь весь класс
таких фотопреобразователей называют «СЭ, сенсибилизированными красителями»,
хотя использование красителей для расширения спектральной чувствительности не
самое главное отличие их конструкции. КПД СЭ с фотоэлектродом из диоксида титана
(TiO2) равен 10,6 %, КПД модуля площадью 25,45 см2 из этих СЭ – 8,2 %. Рекордное
значение КПД СЭ с фотоэлектродом из композита TiO2-CdSe с квантовыми точками из
CdSe составляет 12 %.
Ведутся интенсивные исследования органических СЭ. Основная проблема –
избежать быстрой деградации. Рекордный КПД органических СЭ изготовленных
немецкой фирмой Heliatek – 6,7 %. Полагают, что можно будет наладить изготовление
крупногабаритных СЭ на линиях производительностью более 1000 м2/ч с использованием методов трафаретной печати [14]. Интересны варианты гибридных СЭ с
использованием органических полупроводников. Можно использовать органические
материалы при создании неорганических СЭ, например, разработан органический
тыльный контакт к СЭ на основе CdS/CdTe.
46
Исследуются возможности повышения срока службы ФЭС. Срок службы
полупроводниковых СЭ превышает 50 лет, так как взаимодействие фотонов с атомами
и электронами не приводит к деградации кристаллической структуры и изменению
скорости поверхностной и объемной рекомбинации неосновных носителей заряда.
Срок службы модулей СБ ограничен из-за старения полимерных материалов –
этиленвинилацетата и акриловой смолы, которые используются для герметизации СЭ в
модуле. Для увеличения срока службы модулей необходимо исключить из конструкции
полимерные материалы. Германская фирма Schott Solar AG выпускает модули,
герметизированные с двух сторон стеклом, с гарантией 30 лет (за 24 года падение
мощности составило 5,5 %). Предложена конструкция модуля, в котором СЭ
помещены между двух листов стекла, соединенных по торцам пайкой или сваркой. Для
снижения температуры СЭ и оптических потерь внутренняя полость модуля заполнена
кремнийорганической жидкостью. Полагают, что срок службы таких модулей будет
более 50 лет [11].
Для снижения стоимости и повышения эффективности ФЭС, исходя из местных
условий и возможностей, могут быть применены различные конструктивные решения.
В Японии предложено построить целую сеть так называемых «Энергетических
островов»: плавучих платформ шестиугольной формы из железобетона и нержавеющих
металлов, которые будут производить электроэнергию с помощью ветра, волн и
солнца.
Исключить зависимость выходной мощности ФЭС от погоды можно подняв СБ
выше облачного слоя. Например, ФЭС может быть сделана в виде большого, горизонтально расположенного аэростата плоской формы, на верхней поверхности которого
установлены СБ. Этот аэростат связан с небольшим выводным аэростатом обычной
формы, который крепится к земле тросом. Вдоль троса идет кабель, подающий
электроэнергию потребителю. В другом варианте аэростат с СБ на купольной части
днем генерирует электроэнергию и часть энергии тратит на подъем груза на высоту
несколько километров для гравитационного аккумулирования энергии. Ночью
электроэнергия вырабатывается за счет опускания груза. Третий вариант:
аккумулирование дневной энергии и генерацию ночью можно осуществлять за счет
опускания и подъема самого баллона аэростата.
Интенсивность исследований по самым разным направлениям фотоэнергетики
не снижается. В 2008 г. затраты на НИР и ОКР в странах МЭА составили 425 млн.
долл. США. Больше всех вложили США, Германия, Южная Корея и Япония.
Место фотоэнергетики в большой электроэнергетике
«Солнечное электричество будет доминирующим в выработке электроэнергии к
концу 21 века и составит от половины до двух третей всей выработки электроэнергии к
концу столетия» − такое мнение бытует в мире фотоэлектричества последнее
десятилетие. Оптимистическое настроение связано с внутренней оценкой возможностей фотоэнергетики.
Важнейший аспект, который будет влиять на возможность фотоэнергетики
вытеснить с рынка традиционные системы генерирования - это успехи или неудачи
развития других альтернативных и традиционных видов.
Выбор технологий в энергетике будущего относительно невелик. В Концепции
энергетической стратегии Российской Федерации до 2030 года, источники энергии,
которые поменяют сложившиеся структуру электроэнергетики, определены следующим образом:
47
- ядерная энергетика на быстрых нейтронах с полным топливным циклом;
- нетрадиционные возобновляемые энергоресурсы;
- нетрадиционные невозобновляемые ресурсы (газогидраты и др.);
- возможно, термоядерная энергетика.
Среди перечисленных технологий отсутствуют ядерные реакторы на тепловых
нейтронах – основа современной мировой атомной энергетики. Главная причина –
близкая исчерпаемость дешевых месторождений урана. (Во многих странах создаются
стратегические запасы). Серьезной проблемой являются транспортировка и
захоронение радиоактивных отходов, а также конструкций самих АЭС, срок службы
которых 30 - 40 лет. Что касается термоядерной энергетики, то, по мнению Е.П.
Велихова – в прошлом одного из наиболее энергичных сторонников термоядерной
технологии, – даже в случае успеха, мощность коммерческих термоядерных реакторов
к концу 21 века во всем мире не превысит 100 ГВт.
Из реальных источников на перспективу ближайшего столетия, по мнению
российских экспертов, останутся только атомная энергетика на быстрых нейтронах (на
основе плутония) и возобновляемая энергетика. Безопасная технология плутониевой
энергетики с замкнутым (безотходным) циклом до сих пор не проработана.
Экспериментальные реакторы на быстрых нейтронах появились в 1950-е годы, в 196080-е годы работы по созданию промышленных реакторов на быстрых нейтронах
активно велись в США, СССР и ряде европейских стран. К началу 1990-х большинство
этих проектов было прекращено из-за риска аварий и высоких эксплуатационных
затрат. Кроме того, технология опасна с точки зрения нераспространения ядерного
оружия. В настоящее время в мире работает только два промышленных реактора на
быстрых нейтронах (в России и Франции).
В случае сохранения нынешних ТЭС и тенденции по росту использования
ископаемого топлива, возникнут две экономические проблемы:
- постепенное удорожание топлива из-за исчерпания дешевых месторождений и
соответственно удорожание электроэнергии;
- сопутствующее изменение климата приведет к росту числа природных
чрезвычайных ситуаций, что потребует существенных затрат на компенсацию их
последствий.
Рано или поздно человечеству придется переходить на использование
возобновляемых источников. В настоящее время в области альтернативной энергетики
лидируют три технологии: энергетика на основе биомассы, солнечная и ветровая
энергетика. Наибольший прирост мощностей в последние годы происходил в ветровой
энергетике. Ветровая энергетика в Западной Европе уже конкурентоспособна с
топливной, однако, ее мировой ресурс не очень высокий. Ожидают, что после 2020 г.
лидером станет солнечная электроэнергетика – тепловая и фотоэлектрическая. На
сегодня в солнечной электроэнергетике большую часть производимой электроэнергии
получают на солнечных ЭС теплового типа (термодинамических) с паровыми или
газовыми турбинами и меньшую часть на ФЭС. В США и Китае тепловая солнечная
энергетика развивается более энергично, чем фотоэлектрическая. У тепловых
солнечных ЭС есть одна привлекательная особенность: тепло легче аккумулировать, и
потому его можно накопить в дневные часы, а вечером, во время пиковой нагрузки
пустить на генерацию электричества. Часто создают комбинированные ЭС – когда мало
солнечного тепла, подключают нагреватель на обычном топливе. Но все же это
«турбинная» система со всеми ее недостатками.
Таким образом, шансы фотоэнергетики с точки зрения конкуренции в будущей
энергетике велики.
48
Как только фотоэнергетика стала пробивать себе дорогу в мир большой
электроэнергетики, вскрылись проблемы, присущие самой электроэнергетике.
Корень "зла" для электроэнергетики заключен в неравномерном графике
нагрузки, как суточном, так и годовом. Мощность электросети должна рассчитываться
на часы "пик", а в остальное время энергия остается невостребованной. Современная
«турбинная» электроэнергетика не обладает гибкостью. Турбины нельзя включать и
останавливать когда угодно и сколько угодно. (Одной из главных причин аварии на
Саяно-Шушенской ГЭС было то, что потерпевший катастрофу гидрогенератор в
последние сутки дважды проходил критические режимы работы, что, особенно
учитывая его изношенность, было недопустимо).
Такое обстоятельство приводит к необходимости существенного завышения
мощностей ЭС. В фотоэнергетике проблема усугубляется еще и 100%-ной (ночь-день)
вариацией мощности самих ФЭС.
Спасти положение могла бы возможность накопления энергии в период малой
нагрузки, и отдача в период максимального спроса. Электрическая энергия – это самая
удобная для непосредственного использования форма энергии. Но электроэнергию
невозможно заложить на склад, залить в цистерну или закачать в подземную полость.
Хранение электроэнергии сопряжено с большими затратами и потому в больших
объемах сегодня просто невозможно. Поиск экономичных систем накопления
электроэнергии пока не привел к успеху. В настоящее время могут использоваться, где
это возможно, только гидроаккумулирующие станции. Перспективен также подход на
основе солнечно-водородных систем: энергия ФЭС идет на гидролиз с получением
водорода, а водородная ЭС вырабатывает электроэнергию в непрерывном режиме.
В крупных странах положение несколько спасает использование мощной
электросети, в которой потребители электроэнергии распределены по часовым поясам,
в результате чего энергия передается в те районы, где наступает пик потребления. В
этом случае и пасмурная погода над ФЭС в одном месте может быть легко компенсирована ярким солнцем над другим регионом. Так в настоящее время за счет большой
разветвленности Единой Энергетической сети России экономиться 7 % (15 ГВт)
мощностей традиционных ЭС.
По прогнозам экспертов («дорожная карта» программы PVPS агентства МЭА) к
2030 г. будет создано 100 ГВт установленной мощности ФЭС, а к концу 21 века
мощность всех ФЭС мира составит 133 ТВт [15].
Специалистами выдвигаются следующие предложения для достижения такой
цели:
1. Создание на Земле глобальной сети ФЭС большой мощности.
2. Создание глобальной космической системы ФЭС – спутников Земли,
передающих энергию на Землю.
3. Создание системы ФЭС на Луне с передачей энергии на Землю.
По первому направлению предлагается создать глобальную энергосистему из
ФЭС, равномерно расположенных в экваториальном поясе Земли таким образом, чтобы
часть ФЭС всегда находилась на дневной стороне Земли. Все электростанции должны
быть соединены линией электропередачи. Проведено компьютерное моделирование
глобальной энергетической системы, состоящей из трех ФЭС, установленных в
Австралии, Африке и Латинской Америке [16]. При моделировании использовали базы
данных по солнечному излучению за весь период наблюдений. КПД ФЭС принимался
равным 25 %, электрическая мощность каждой станции 2,5 ТВт, размеры территории
занимаемой СБ каждой станции 200 х 200 км. Такая система может генерировать электроэнергию круглосуточно и равномерно в течение года в объеме 17300 ТВт ∙ ч/год. В
49
настоящее время проводят исследования по возможности создания крупных ФЭС в
пустынях Африки и Ближнего Востока с передачей энергии в Европу по подводному
кабелю [2]. В США разработан проект сети из трех крупных ФЭС, для которой будет
использоваться высокотемпературный сверхпроводящий кабель.
Идеи создания ЭС в космосе для передачи энергии на Землю существовали еще
до начала эры освоения космоса. В космосе энергию можно получать круглые сутки.
Затем электроэнергию преобразуют в энергию монохроматического излучения СВЧдиапазона (2 - 3 ГГц). Это излучение передается на Землю, где оно вновь превращается
в электроэнергию и вливается в единую энергосистему [17]. Первый технический
проект космической ФЭС был разработан в США П. Глейзером в 1968 г. [18]. Проекты
таких станций предполагают два основных варианта их размещения в околоземном
пространстве: на геостационарных орбитах, где они будут постоянно находиться в
зените над фиксированной точкой на земном экваторе, и на солнечно-синхронных
орбитах (более низких, с менее дорогой стоимостью доставки). Проект ФЭС Глейзера
мощностью 5 ГВт представлял собой жесткую ферму размером примерно13 х 5 км с СБ
из кремниевых СЭ. Создание такой конструкции даже по сегодняшним меркам
нереально. За последние десятилетия появились новые подходы в сооружении
космических ФЭС – на основе бескаркасных конструкций. Так в 1993 г. на
транспортном корабле «Прогресс» был развернут возле станции «Мир» макет
пленочной конструкции солнечного паруса площадью 300 м2 и массой всего 4 кг [19].
Предложена технология развертывания центробежными силами крупномасштабной
ФЭС из доставленных на орбиту в виде катушек секторов пленочных СБ [20].
Появилась возможность создания на основе нанотехнологий полупроводниковой
структуры, объединяющей свойства преобразования солнечной энергии и свойства
генерации в СВЧ-диапазоне.
Однако проблемы не только в трудности сооружения СБ в космосе. Не удалось
пока исключить высокие потери при преобразовании энергии, получаемой от СБ в
силовой луч, посылаемый на приемные устройства на Земле. При использовании
наиболее популярного варианта такой передачи посредством микроволнового
излучения возникают пока нерешенные проблемы безопасности. Такой луч способен
убить все живое в считанные секунды. В настоящее время склоняются к
использованию лазерного излучения, которое легче сфокусировать. Крупнейшая в
Европе космическая компания EADS Astrium ищет партнеров для участия в проекте
запуска спутника с демонстрационной системой. В лабораториях компании успешно
проведены эксперименты по передаче энергии лучом инфракрасного лазера и сейчас
работают над улучшением КПД всей системы. Если удастся создать
фотопреобразователи с КПД 80 % для преобразования на Земле энергии инфракрасного
лазерного излучения в электрическую, то компания будет готова приступить к
созданию спутника с ФЭУ мощностью 10 - 20 кВт.
В октябре 2007 г. Министерство обороны США выдвинуло проект долгосрочной
программы создания космических ФЭС. Япония опубликовала проект, по которому в
2015 г. можно будет вывести на орбиту спутник с СБ площадью 4 км2, энергия с
которого будет передаваться на Землю c использованием лазерного излучения.
Стоимость проекта 21 млрд. долл. Как этап разработки реальных систем предлагаются
проекты централизованных ЭС для энергообеспечения нескольких космических
объектов. В России также существуют технологические заделы для решения
аналогичных задач [21]. Растет количество предложений по схемам построения
космических ФЭС [22].
50
Предложено много проектов создания ФЭС не на орбитах вокруг Земли, а на
Луне [23]. На Луне удобнее сооружать огромные конструкции, можно частично из
местного материала. Не менее 5 ФЭС необходимо располагать по экватору. Программа
создания лунной базы и варианты технических решений по передаче энергии на Землю
подробно рассмотрены, например, в работе [24].
Фотоэнергетика в России
Руководство России пока не озабочено проблемой замены традиционных
энергоносителей. На каждого россиянина сегодня приходится в 10 раз больше
энергоресурсов, чем в среднем на каждого жителя планеты. В структуре российского
производства электроэнергии на конец 2009 г. общая установленная мощность
энергосистемы составляет 211,8 ГВт, из них на долю ТЭС приходится около 70 %, ГЭС
– 20 %, АЭС – более 10 % [25]. На долю всех видов возобновляемых источников
энергии (без ГЭС) в производстве электроэнергии в России приходится всего 0,6 %. "В
России альтернативные источники еще не скоро заменят углеводороды", – сказал
несколько лет назад в интервью журналу "Итоги" министр промышленности и
энергетики России.
Возможности развития автономной фотоэнергетики для обеспечения электроэнергией потребителей в труднодоступных и отдаленных от сетей местах в России
необычайно велики. На 60 % территории страны нет централизованного электроснабжения. Даже в центральных областях возможно применение автономных ФЭУ. Так для
компании «Вымпелком» оказалось экономически более выгодно соорудить ФЭУ
мощностью 8,5 кВт для ретранслятора «БиЛайн», чем тянуть линию электропередачи
на протяжении всего 6 км по горам [12]. Краснодарский край и большая часть Сибири и
Дальнего Востока по поступлению солнечной энергии не уступает югу Франции и
центральной части Италии.
Правительством страны (Распоряжение №1-р от 8 января 2009 г.) утверждены
«Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической
эффективности электроэнергетики на основе возобновляемых источников энергии на
период до 2020 г.» [25]. В документе предусмотрено увеличение к 2020 г. доли альтернативной энергетики до 4,5 %. Правда, одним из вариантов использования возобновляемых источников обозначено строительство приливных электростанций: Мезенской
в Архангельской области и Тугурской в Хабаровском крае (причем только в 2016 2020 гг.). Возможно также, что в 2011-12 г. приступят к строительству солнечной
тепловой ЭС в Кисловодске, спроектированной еще 25 лет назад. Инвесторы
обеспечивают 70 % финансирования, государство свои 30 % пока не выделило. От
государства потребуется также компенсировать разницу в конечной стоимости
солнечной и традиционной энергии.
Если фотоэнергетика в России практически отсутствует, то фотоэлектрическая
промышленность работоспособна и продает свою продукцию за рубеж. Основные
производители СЭ и модулей СБ в стране [26]: НПФ «Солнечный ветер» (г. Краснодар)
– установленная производственная мощность 5 мВт/год; НПП «Квант» (г. Москва) −
5 мВт/год; ЗАО «ПРОТЕЛ» ПХМЗ (г. Орел) – 2,5 мВт/год; ООО «Красное знамя»
(г. Рязань) – 2 мВт/год; Завод металлокерамических приборов – 2 мВт/год. НПФ
«Солнечный ветер» в разное время продавала свои изделия в 17 стран мира. Эта фирма
одна из немногих предприятий в мире, промышленно выпускающих модули из СЭ с
двухсторонней чувствительностью. Объемы производства очень скромные, но все
российские предприятия конкурентоспособны на мировом рынке.
51
В стране планируется создание новых более крупных предприятий по выпуску
СЭ и модулей. Группа компаний «Ренова» с участием РОСНАНО строит завод по
производству модулей большой площади на основе микроморфных СЭ проектной
мощностью 120 мВт/год. Намечено использовать технологию, разработанную
компанией Oerlikon Solar (Швейцария). Строительство идет на территории ОАО
«Химпром», г. Новочебоксарск Чувашской Республики. Основными рынками сбыта
продукции будут страны Южной Европы (Италия, Испания, Греция) и Германия.
Осуществлять сбыт будет компания Avelar Energy Group (входящая в ГК Ренова),
которая имеет опыт сооружения ФЭУ в Европе. Срок окупаемости проекта 7 лет.
30 апреля 2010 года подписано Инвестиционное соглашение между корпорацией
РОСНАНО и представителями соинвесторов по проекту организации производства
многопереходных СЭ с КПД 37 - 45 %, модулей с концентраторами и ФЭУ. В рамках
проекта будет создано производство полного цикла, включающего в себя выращивание
гетероструктур, изготовление СЭ, сборку модулей с линзами Френеля, изготовление
систем слежения за солнцем и сборку ФЭУ. Пилотная линия будет организована в
Санкт-Петербурге, завод для опытного и серийного производств будет построен в
Ставропольском крае. Предполагается что, к 2015 году объем выпуска установок
составит около 85 МВт в год. В осуществлении проекта участвует компания
ValeyPearls Holdings LTD, специально учрежденное ООО «Солнечный поток» и
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН [27].
В России создаются также предприятия по производству поликристаллического
кремния солнечного качества. Компания Nitol Solar строит в г. Усолье-Сибирское
Иркутской области производственный комплекс общей проектной мощностью 5 тысяч
тонн в год. 20 декабря 2010 г. на основной производственной линии в рамках
испытаний уже была произведена первая партия кремния. В г. Железногорск под
Красноярском на базе Горно-химического комбината (Росатом) запущен завод с
проектной мощностью 2 тыс. тонн поли-Si в год.
В космическом направлении автономной фотоэнергетики также намечаются
обнадеживающие сдвиги. Повышение требований к энергопитанию космических
аппаратов привело к необходимости создания высокоэффективных и легких СБ с
увеличенным ресурсом работы. Отечественные производители уже используют для
космических СБ зарубежные СЭ на основе InGaP/GaInAs/Ge с КПД 28 % при АМ0
[28]. Проект создания собственного производства высокоэффективных СБ нового
поколения был утвержден комиссией при президенте России по модернизации и
технологическому развитию 28 октября 2009 года. Согласно постановлению Правительства России, подписанному 8 декабря 2010 г., Федеральному космическому
агентству будет выделено 491 млн. рублей на производство СБ нового поколения [29].
НПП «Квант» находится в числе основных предприятий, которые осуществляют этот
проект. Организация полного технологического цикла производства таких СБ позволит
повысить энерговооруженность отечественных космических аппаратов всех типов, а
также исключит зависимость от зарубежных поставщиков СЭ.
Заключение
Успехи последних лет в технологии фотоэлектрического преобразования
солнечной энергии и накопившийся опыт использования ФЭС стали основой
стремительного развития фотоэнергетики в мире. Когда стоимость полученной
фотоэлектрическим методом энергии снизится до 0,1 долл./кВт ∙ ч, фотоэнергетика
станет серьезной альтернативой любым другим способам производства электроэнергии. В первую очередь из-за неисчерпаемости ресурса, экологической чистоты,
52
безопасности, чрезвычайной простоты в строительстве и обслуживании. Сможет ли она
со временем стать одной из важнейших составляющих большой электроэнергетики,
зависит от многих причин. Главным образом, от того, получится ли у человечества
практическое освоение энергии термоядерного синтеза.
По мере развития техники и технологий, электроэнергия, получаемая из возобновляемых источников, будет все больше дешеветь. Тогда как энергия, получаемая из
традиционных источников, наоборот, дорожать вследствие простого исчерпания нефти,
газа, угля, урана. Запасы традиционных энергетических ресурсов может быть еще и
велики (эксперты МЭА полагают, что запасов природного газа на планете хватит еще
на 250 лет), но рано или поздно будут опустошены. Чтобы в будущем развитие
человечества не остановилось из-за нехватки энергии, необходимо создавать новые
энергетические технологии уже сегодня.
«Какие бы высокие цены на нефть и газ ни были и как бы долго такая ситуация
не сохранялась, Россия останется страной без будущего, если она не изменит свою
научно-техническую политику» – мнение академика Алферова [30].
Литература
1. Donholn P., Margolis R. Evaluation the limits of solar photovoltaics (PV) in traditional
electric power sistem.//Energy policy, 2007, v. 35, № 5, c. 2852 - 2861.
2. Lecoufle D., Lawless R., Hampel M. Large Scale PV Plants in North Africa and the Middle
East.//24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 21-25 September 2009,
Hamburg, Germany, p. 4481 - 4484.
3. Bagnal D., Boreland M. Photovoltaic technologies.//Energy Policy, 2008, v. 36, № 12.
4. Photovoltaik Licht und Schatten.//VEÖ J. 2009, Juli-Aug., c. 42 - 45.
5. Kaizuka I., Watt G. et al. Trends in Photovoltaic Applicaitions – the Latest Survey Results
on the Market, Industry and Policy from the IEA PVPS Programme.//24th European
Photovoltaic Solar Energy Conference, 21-25 September 2009, Hamburg, Germany, p. 54014504.
6. www.solarbuzz.com
7. Apicella1 F., Sarno A. et al. Fixed and Two-Axis Tracking PV System:Potential Solar
Electricity from Convential andA C-PV Modules Tecnology.//23rd European Photovoltaic
Solar Energy Conference, 1 - 5 September 2008, Valencia, Spain, p. 3472 - 3475.
8. PV-technologien im Wettbewerb.//Sonne, Wind und Warme, 2009, v. 33, № 7, p.34 - 35.
9. Gunter W., Schöne L. et al. Current-matched triple-junction solar cell reaching 41,1 %
conversion efficency under concentrated sunlight.//Appl. Phis Lett., 2009, № 22, p. 223504.
10. Андреев В.М. Нанотехнологии для солнечной фотоэнергетики.//Альтернативная
энергетика и экология, 2007, № 2, с. 93 - 98.
11. Стребков Д.С. Технологии крупномасштабной солнечной энергетики.//Электро,
2009, № 3, с. 2 - 6.
12. Закс М.Б. Общие и региональные проблемы развития солнечной энергетики.
//Наука Москвы и регионов, № 1, 2007, с. 58 - 62.
13. Antonio L., Antonio M. The intermediate band solar cell: Progress toward the realization
of an attractive concept.//Adv. mater. (Germany), 2010, v. 22, № 2, c. 160 - 174.
14. Refocus, 2005, №1, May-June, p. 38-39.
15. Komoto K., Kurokawa K. et al. Future PV Directions: VLS-PV Roadmap Toward 2100
//24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 21 - 25 September 2009, Hamburg,
Germany, 4475 - 4477.
53
16. Strebkov D.S., Irodionov A.E. Global solar power sistem.//Evrosun, 2004, Freiburg,
Germany. 14 Intern. Sonnenforum, v. 2, p. 336 - 343.
17. Грилихес В.А. Солнечные космические станции. Л.: Наука, 1986, 182 с.
18. Glaser P. Power from the sun: its future.//Science, 1968, v. 168, p. 587.
19. Мельников В.М., Комков В.А. Энергетическая безопасность России и космические
солнечные электростанции.//Конверсия в машиностроении, 2008, № 1, с. 25 - 30.
20. Формируемые центробежными силами космические солнечные батареи./Комков
В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. М.: Черос, 2007, 189 с.
21. Бурдаков В.П. Перспективы космической энергетики.//Топливно-энергетический
комплекс, 2004, № 2, с. 126 - 128.
22. Сысоев В.К., Пичхадзе К.М., Арапов Е.А. Анализ возможных схем построения
космических солнечных электростанций.//Полет, 2010, № 6, с. 37 – 47.
23. Anscombe N. Does space hold the answer toour worldwide energy shortage problems?
//IEE Power Engineer, 2004, august/september, p. 16 - 21.
24. Еськов Ю.М. Экологически чистая мировая электроэнергетика и космонавтика в
ХХI веке. М.: 2004, 186 с.
25. http://minenergo.gov.ru/
26. Семенов В.В. Состояние и перспективы развития производства солнечных батарей в
России.//Наука Москвы и регионов, 2007, № 1, с. 54 - 57.
27. http://www.rusnano.com/Post.aspx/Show/26271
28. Casale M., Campesato R., Gabetta G., Gori G., Flores C., Kagan M., Semenov V., Ivanov
V. Triple junction solar cells and solar panels for the new generation of Russian spacecraft.
//24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 21 - 25 September 2009, Hamburg,
Germany, p. 101 - 105.
29. http://rian.ru/business/20101210/306886521.html
30. О солнечной энергетике (интервью с акад. Алферовым Ж.И.). Строительство и
городское хозяйство в Санкт-Петербурге и Ленинградской области, 2007, № 7, с. 4 - 6.
__________________
54
Сдано в набор 14.02.2011 г. Подписано в печать 15.09.2011 г.
Формат 60 х 84 1/8. Бумага писчая № 0.
Гарнитура «Таймс нью роман».
Отпечатано на ризографе.
Уч.-изд. л. 6,75.
Заказ № 161.
Адрес редакции: 129 626, Москва, 3-я Мытищинская ул., д. 16.
Телефон редакции: 687-9844
Отпечатано в НПП «Квант»
_________◊________
55